福州大学李培官：大学物理课件-牛顿运动定律

顿运动大学物理牛定律这门课程将深入探讨牛顿运动定律的基础知识，并解释其在现实世界中的应用我们将从历史背景和基本概念开始，逐步深入到不同类型的力、运动类型和工程应用，最后以实验设计和常见问题解答来结束通过学习这门课程，你将获得对经典力学的基本理解，并能够将这些知识应用到各种实际问题中课标习程目与学要求课标习程目学要求通过学习这门课程，你将能够:为了更好地掌握课程内容，你需要:•理解牛顿三大运动定律的概念和数学表达•认真阅读教材，并进行课堂笔记•应用牛顿定律解决实际问题，例如计算物体运动轨迹、分析受•积极参与课堂讨论和练习力情况等•完成所有作业和实验•掌握常用的实验设计和数据分析方法，并能够独立进行简单的•注重理论联系实际，将所学知识应用到日常生活和工程应用中物理实验顿运动历牛定律的史背景古希腊1亚里士多德提出了物体运动需要力的推动，并认为物体保持运动需要持续力的作用纪16世2伽利略通过实验发现物体的运动不需要持续的力，并提出了惯性概念纪17世3牛顿总结了前人的研究成果，提出了三大运动定律，标志着经典力学的正式建立贡惯雏伽利略的献性定律的形实验惯斜面性概念伽利略通过斜面实验观察到，当一个物体在光滑的斜面上向下运动伽利略的实验结果为牛顿第一定律的提出奠定了基础他认为，物时，它会越来越快他发现，物体在水平面上运动时，如果不受外体具有保持其运动状态的倾向，这就是惯性力作用，它将保持匀速直线运动顿牛的重大突破1三大定律2万有引力定律牛顿总结了前人的研究成果，牛顿还提出了万有引力定律，提出了三大运动定律，分别为解释了地球引力、月球绕地球惯性定律、加速度定律和作用运动以及行星绕太阳运动的原与反作用定律因经3典力学体系牛顿三大定律和万有引力定律奠定了经典力学的基础，为后来的物理学发展开辟了道路顿第一章牛第一定律惯性定律牛顿第一定律也称为惯性定律，它指出任何物体都将保持静止状态或匀速直线运动状态，除非有外力迫使它改变这种状态惯性的概念义举定例惯性是指物体保持其运动状态的倾向，也就是抵抗运动状态改变的当你坐在一辆突然启动的火车上时，你会感觉到向后倾斜，这是因能力为你的身体具有惯性，想要保持静止状态惯义性参考系的定绝对静止在经典力学中，绝对静止的参考系并不存在1惯性参考系2惯性参考系是指相对于它，不受外力作用的物体保持静止或匀速直线运动的参考系惯非性参考系非惯性参考系是指相对于它，不受外力作用的物体无法保持静止或3匀速直线运动的参考系例如，加速行驶的汽车、旋转的圆盘等惯现日常生活中的性象车车转马汽刹抛球旋木当汽车突然刹车时，乘客会向前倾斜，当你向上抛一个球时，球会向上运动，当你在旋转木马上旋转时，你会感觉到这是因为乘客的身体具有惯性，想要保然后由于重力的作用，球会向下运动向外的离心力，这是因为你的身体具有持原来的运动状态当球向上运动时，它具有向上的惯性，惯性，想要保持直线运动状态当球向下运动时，它具有向下的惯性惯性定律的数学表述∑F=0当物体不受外力作用时，其速度保持不变，即∑F=0惯适围性定律的用范惯适性定律用于惯性定律适用于所有物体，无论其大小、质量或速度如何适围用范惯性定律适用于低速、非相对论性的物体，即物体的速度远小于光速适不用惯性定律不适用于高速、相对论性的物体，因为在相对论中，质量不再是常数，而是随着速度的变化而变化顿第二章牛第二定律加速度定律牛顿第二定律也称为加速度定律，它描述了物体在力的作用下如何运动力的作用牛顿第二定律指出物体的加速度的大小与作用在它上面的合力的大小成正比，方向与合力的方向相同力的概念和特征义定特征力是物体之间的相互作用，可以改变物体的运动状态，例如使物体力具有大小和方向，是一个矢量加速或减速质量的概念单位2质量的国际单位是千克（kg）义定质量是物体所含物质的多少，反映了物1体惯性大小响影质量越大，物体的惯性越大，即抵抗运动3状态改变的能力越强义加速度的定义定1加速度是物体速度变化率的度量，表示物体速度变化快慢和变化方向单位2加速度的国际单位是米每平方秒（m/s²）响影3加速度越大，物体的速度变化越快，即运动状态改变越快导F=ma公式的推a=∑F/m从牛顿第二定律的定义可以得到上述公式，它表明物体加速度的大小等于合力除以质量单顿力的位牛顿牛力的国际单位是牛顿（N）别重力与重量的区1重力2重量重力是指地球对物体的吸引力重量是指物体受到重力的作用，它与物体的质量成正比力，它等于质量乘以重力加速度别3区重力是地球对物体的吸引力，而重量是物体受到重力的作用力运动多个力作用下的物体合力1多个力作用于物体时，它们的合力决定了物体的加速度叠矢量加2合力可以通过矢量叠加的方法求得运动分析3根据合力的大小和方向，可以分析物体的运动状态受力分析方法骤步一确定研究对象，即你要分析的物体骤步二找出所有作用在研究对象上的力，包括重力、支撑力、摩擦力、拉力等骤步三将所有力按照力的作用点和方向画在图上，形成受力分析图图绘自由体的制义骤定步自由体图是指将研究对象从周围环境中分离出来，只保留作用在它

1.确定研究对象上面的力，并以矢量形式表示这些力的图

2.找出所有作用力

3.画出自由体图顿第三章牛第三定律作用与反作用定律牛顿第三定律也称为作用与反作用定律，它指出当两个物体相互作用时，它们之间会产生大小相等、方向相反的力作用力与反作用力作用力反作用力物体A对物体B的作用力称为作用力物体B对物体A的作用力称为反作用力作用-反作用力的特点1大小相等作用力与反作用力的大小总是相等的2方向相反作用力与反作用力的方向总是相反的时3同存在作用力与反作用力总是同时存在的，它们是相互作用的结果4作用在不同物体上作用力作用在物体B上，反作用力作用在物体A上，它们作用在不同的物体上实际应第三定律的用运动员跳水1跳水运动员在跳水前，用力向下蹬跳板，跳板就会对他施加一个向上的反作用力，使他向上弹起游泳2游泳时，游泳者用手划水，水就会对他的手施加一个向后的反作用力，推动他向前游动发火箭射3火箭发射时，发动机向后喷射燃气，燃气就会对火箭施加一个向前的反作用力，推动火箭上升进火箭推原理反作用力2根据牛顿第三定律，燃气对火箭施加一个向前的反作用力，推动火箭前进喷射燃气1火箭发动机通过燃烧燃料，产生高温高压的燃气，并向后喷射推力这个反作用力被称为推力，它克服重力和3空气阻力，使火箭升空产摩擦力的生机制接触面当两个物体接触时，它们的表面会发生微观的不平整，这些不平整相互接触，形成摩擦力静摩擦力的特点义1定2特点静摩擦力是指阻止物体相对运静摩擦力的方向与物体相对运动的摩擦力，它存在于两个相动趋势的方向相反，大小等于对静止的物体接触面上克服静止状态所需的外力3最大静摩擦力当外力增大到一定程度时，物体就会开始滑动，此时静摩擦力达到最大值，称为最大静摩擦力动摩擦力的特点义定特点动摩擦力是指两个物体之间发生相对滑动时产生的摩擦力动摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反，大小与接触面的正压力成正比，与接触面的材料性质有关滚动摩擦力义定1滚动摩擦力是指物体滚动时产生的摩擦力，它是由于接触面发生变形而产生的特点2滚动摩擦力一般比滑动摩擦力小，因此滚动轴承可以降低摩擦力，提高机械效率响影因素3滚动摩擦力的大小与接触面的材料、接触面积和压力有关空气阻力义定空气阻力是指物体在空气中运动时，由于空气对物体表面产生的摩擦力而产生的阻力响影因素空气阻力的大小与物体形状、速度和空气密度有关应用在航空航天工程中，空气阻力是一个重要的因素，需要进行仔细计算和控制第四章重力万有引力万有引力是指宇宙中任何两个物体之间都存在的一种相互吸引力，它与物体的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比万有引力定律F=G*m1*m2/r^2万有引力定律用数学公式表达了两个物体之间的吸引力大小，其中G为万有引力常数，m1和m2分别为两个物体的质量，r为它们之间的距离地球表面重力加速度义响定影因素地球表面重力加速度是指地球对物体的吸引力所产生的加速度，它重力加速度的大小与地球的质量和半径有关，在地球的不同位置，的大小约为

9.8m/s²重力加速度会有微小的差异势重力能义计定算重力势能是指物体由于其所处的高重力势能的计算公式为E_p=度而具有的能量，它与物体的质量mgh，其中m为物体质量，g为重和高度成正比力加速度，h为物体高度转化重力势能可以转化为动能，例如从山顶上滚下来的石头，其重力势能会逐渐转化为动能场重力义定1重力场是指地球周围空间中存在的能够对物体产生引力的区域方向2重力场的方向总是指向地球中心强度3重力场的强度是指在该位置单位质量物体所受的重力，它与重力加速度的大小相等卫轨计人造星道算万有引力定律利用万有引力定律可以计算出人造卫星绕地球运动的轨道半径和周期离心力人造卫星绕地球运动时，需要克服地球引力，保持轨道运动这需要提供一个向外的力，即离心力轨计道算通过平衡引力和离心力，可以得到人造卫星轨道半径和周期的计算公式实际应第五章用电梯电梯中的受力分析可以应用牛顿第二定律来解释电梯的运动状态，例如电梯加速上升或下降时乘客的感受斜面斜面上物体的运动可以利用牛顿定律和摩擦力分析来解释，例如物体从斜面上滑下的速度和加速度圆运动周圆周运动中的受力分析需要考虑向心力的作用，例如汽车在弯道行驶时所需的向心力单摆单摆运动分析可以利用牛顿定律和能量守恒定律来解释，例如单摆的周期和振幅的变化规律电梯中的受力分析减静止加速上升速上升当电梯静止时，乘客受到重力mg和支当电梯加速上升时，乘客的加速度方向向当电梯减速上升时，乘客的加速度方向向撑力N的作用，它们大小相等，方向相上，合力也方向向上此时，支撑力大于下，合力也方向向下此时，支撑力小于反，合力为零重力重力运动斜面上物体的1重力分解2摩擦力将物体受到的重力分解为平行物体与斜面之间存在摩擦力，于斜面方向的力mg sinθ和其方向与物体运动方向相反垂直于斜面方向的力mg cosθ3加速度物体在斜面上的加速度等于平行于斜面方向的合力除以物体的质量圆运动周中的受力来源向心力可以由各种力提供，例如绳索的拉2力、重力、摩擦力等向心力1物体做圆周运动时，需要一个指向圆心的力，称为向心力向心力用来改变物体的运动方向公式向心力的计算公式为F_c=mv^2/r，其中m为物体的质量，v为物体的速度，r3为圆周运动的半径单摆运动分析周期1单摆的周期是指单摆完成一次完整振动所需要的时间，它与单摆的长度和重力加速度有关振幅2单摆的振幅是指单摆摆动时偏离平衡位置的最大距离能量守恒3单摆运动过程中，机械能守恒，即动能和势能的总和保持不变连运动接体系的约束力分析方法当多个物体相互连接时，它们之间会产生约束力，这些约束力可以分析连接体系的运动，需要分别对每个物体进行受力分析，并考虑限制物体的运动它们之间的约束关系绳传动统索系张传递应力力的用绳索传动系统中，绳索会产生一个张力绳索可以传递力，例如用绳索拉动物体绳索传动系统广泛应用于各种机械设备，这个张力作用在连接的物体上时，绳索会传递拉力中，例如起重机、电梯、传动带等轮组应滑合用应作用用滑轮可以改变力的方向，并可以改变力的作用效果滑轮组合可以用来提升重物、改变物体的运动方向，以及减小施加的力弹动统簧振系胡克定律1弹簧振动系统中，弹簧的弹力大小与弹簧的形变量成正比，这就是胡克定律周期2弹簧振动系统的周期是指弹簧完成一次完整振动所需要的时间，它与弹簧的劲度系数和物体的质量有关能量守恒3弹簧振动系统中，机械能守恒，即动能和势能的总和保持不变应第六章工程用机械设计牛顿运动定律是机械设计的基础，例如设计汽车、飞机、机器人等各种机械设备建筑结构牛顿运动定律用于分析建筑结构的受力情况，例如设计桥梁、建筑物等，保证结构的稳定性和安全性交通运输牛顿运动定律应用于交通运输领域，例如设计车辆、轨道交通等，优化车辆性能和行驶安全航空航天牛顿运动定律是航空航天工程的核心，例如设计火箭、卫星、飞船等，研究其运动轨迹和飞行性能设计应机械中的用发动齿轮传动机机器人汽车发动机的设计需要考虑牛顿定律，齿轮传动系统的设计需要考虑力矩的传机器人的设计需要考虑运动学和动力学例如活塞的运动、曲轴的旋转等，以实递和力的平衡，以实现高效的动力传递原理，以实现灵活的运动控制和精确的现高效的能量转换动作执行结构建筑力学结构分析牛顿运动定律用于分析建筑结构的受力情况，例如房屋的承重、桥梁的抗压能力等，确保结构的稳定性和安全性选择材料建筑材料的选择需要考虑其强度、韧性和抗变形能力，以满足结构设计的要求设计安全建筑结构设计需要考虑各种外部因素，例如地震、风力、雨雪等，确保结构的安全性和耐久性运输应交通中的用车辆设计轨道交通车辆设计需要考虑牛顿定律，例如车辆的加速、减速、转弯等，以轨道交通的设计需要考虑轨道力学、车辆动力学等，以保证列车的优化车辆性能和行驶安全稳定性和高速运行航空航天工程卫轨星道2卫星轨道设计需要考虑万有引力定律和离心力，以确定卫星的轨道半径和周期设计火箭1火箭设计需要考虑牛顿定律，例如喷射燃气产生的推力、火箭的加速和升空过程等飞设计船飞船设计需要考虑空气动力学、热力学等3，以保证飞船的飞行性能和安全性实验设计第七章实验目的物理实验的设计是为了验证理论、探索未知现象，并加深对物理规律的理解实验绍基本器材介测误量方法与差分析测误量方法差分析根据实验目的，选择合适的测量方法，例如长度测量、时间测误差分析是为了评估测量结果的准确性，主要包括系统误差和量、质量测量、力测量等随机误差实验典型案例分析案例一1验证牛顿第二定律，通过改变物体的质量和作用力，测量物体的加速度，验证加速度与合力成正比，与质量成反比案例二2研究摩擦力，通过测量不同表面材料之间的摩擦力，分析影响摩擦力的因素，例如接触面的材料、接触面积、压力等案例三3研究单摆的周期，通过改变单摆的长度，测量单摆的周期，验证周期与摆长有关，与摆角无关（小角度）处数据理方法记录数据数据分析实验中需要将测量数据记录在表格中，方便进行分析和处理对测量数据进行分析，例如计算平均值、标准差、绘制图像等，以得出实验结论实验报告撰写指南实验目的阐述实验的目的，例如验证某个物理定律、研究某个物理现象等实验原理介绍实验所依据的物理原理，例如牛顿定律、能量守恒定律等实验骤步详细描述实验步骤，包括器材、操作方法、数据记录等实验结果展示实验结果，例如数据表格、图像等，并进行分析和讨论结论总结实验结论，并与理论进行比较，得出实验的意义和不足课总结程顿应1牛三大定律2万有引力3工程用牛顿三大运动定律是经典力学的基础万有引力定律解释了物体之间的吸引牛顿定律在工程应用中有着广泛的应，它们描述了物体在力的作用下如何力，并可以用来计算天体的运动轨迹用，例如机械设计、建筑结构、交通运动运输、航空航天等见问题常解答问题问题一二牛顿定律适用于所有物体吗？摩擦力总是阻碍物体运动吗？答牛顿定律适用于低速、非相对论性的物体对于高速、相对论答摩擦力不一定总是阻碍物体运动，例如汽车行驶时，轮胎与地性的物体，需要使用相对论来描述其运动面之间的摩擦力为驱动力，推动汽车前进习题讲精习题类型课程结束后，我们将提供大量的习题，帮助你巩固所学知识，并提升解决问题的能力讲精内容我们将对部分具有代表性的习题进行详细讲解，并提供解题思路和方法，帮助你更好地理解知识点练习巩固鼓励你积极练习，并及时向老师或同学请教，以加深理解，并提高应用能力。