牛頓運動定律

2022-12-29 03:36:03 字數 4689 閱讀 6802

一、牛頓第一定律

1.牛頓第一定律匯出了力的概念

力是改變物體運動狀態的原因。(運動狀態指物體的速度)又根據加速度定義:,有速度變化就一定有加速度,所以可以說:

力是使物體產生加速度的原因。(不能說「力是產生速度的原因」、「力是維持速度的原因」,也不能說「力是改變加速度的原因」。)

2.牛頓第一定律匯出了慣性的概念

一切物體都有保持原有運動狀態的性質,這就是慣性。慣性反映了物體運動狀態改變的難易程度(慣性大的物體運動狀態不容易改變)。質量是物體慣性大小的量度。

3.牛頓第一定律描述的是理想化狀態

牛頓第一定律描述的是物體在不受任何外力時的狀態。而不受外力的物體是不存在的。物體不受外力和物體所受合外力為零是有區別的,所以不能把牛頓第一定律當成牛頓第二定律在f=0時的特例。

二、牛頓第三定律

1.區分一對作用力反作用力和一對平衡力

一對作用力反作用力和一對平衡力的共同點有:大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。不同點有:

作用力反作用力作用在兩個不同物體上,而平衡力作用在同乙個物體上;作用力反作用力一定是同種性質的力,而平衡力可能是不同性質的力;作用力反作用力一定是同時產生同時消失的,而平衡力中的乙個消失後,另乙個可能仍然存在。

2.一對作用力和反作用力的衝量和功

一對作用力和反作用力在同乙個過程中(同一段時間或同一段位移)的總衝量一定為零,但作的總功可能為零、可能為正、也可能為負。這是因為作用力和反作用力的作用時間一定是相同的,而位移大小、方向都可能是不同的。

三、牛頓第二定律

1.定律的表述

物體的加速度跟所受的外力的合力成正比,跟物體的質量成反比,加速度的方向跟合力的方向相同,既f=ma (其中的f和m、a必須相對應)特別要注意表述的第三句話。因為力和加速度都是向量,它們的關係除了數量大小的關係外,還有方向之間的關係。明確力和加速度方向,也是正確列出方程的重要環節。

若f為物體受的合外力,那麼a表示物體的實際加速度;若f為物體受的某乙個方向上的所有力的合力,那麼a表示物體在該方向上的分加速度;若f為物體受的若干力中的某乙個力,那麼a僅表示該力產生的加速度,不是物體的實際加速度。

2.牛頓第二定律確立了力和運動的關係

牛頓第二定律明確了物體的受力情況和運動情況之間的定量關係。聯絡物體的受力情況和運動情況的橋梁或紐帶就是加速度。

3.應用牛頓第二定律解題的步驟

①明確研究物件。可以以某乙個物體為物件,也可以以幾個物體組成的質點組為物件。設每個質點的質量為mi,對應的加速度為ai,則有:f合=m1a1+m2a2+m3a3+……+mnan

對這個結論可以這樣理解:先分別以質點組中的每個物體為研究物件用牛頓第二定律:

∑f1=m1a1,∑f2=m2a2,……∑fn=mnan,將以上各式等號左、右分別相加,其中左邊所有力中,凡屬於系統內力的,總是成對出現並且大小相等方向相反的,其向量和必為零,所以最後得到的是該質點組所受的所有外力之和,即合外力f。

②對研究物件進行受力分析。同時還應該分析研究物件的運動情況(包括速度、加速度),並把速度、加速度的方向在受力圖旁邊畫出來。

③若研究物件在不共線的兩個力作用下做加速運動,一般用平行四邊形定則(或三角形定則)解題;若研究物件在不共線的三個以上的力作用下做加速運動,一般用正交分解法解題(注意靈活選取座標軸的方向,既可以分解力,也可以分解加速度)。

④當研究物件在研究過程的不同階段受力情況有變化時,那就必須分階段進行受力分析,分階段列方程求解。

解題要養成良好的習慣。只要嚴格按照以上步驟解題,同時認真畫出受力分析圖,標出運動情況,那麼問題都能迎刃而解。

3.應用舉例

例1. 如圖所示,如圖所示,輕彈簧下端固定在水平面上。乙個小球從彈簧正上方某一高度處由靜止開始自由下落,接觸彈簧後把彈簧壓縮到一定程度後停止下落。

在小球下落的這一全過程中,下列說法中正確的是

a.小球剛接觸彈簧瞬間速度最大

b.從小球接觸彈簧起加速度變為豎直向上

c.從小球接觸彈簧到到達最低點,小球的速度先增大後減小

d.從小球接觸彈簧到到達最低點,小球的加速度先減小後增大

解:小球的加速度大小決定於小球受到的合外力。從接觸彈簧到到達最低點,彈力從零開始逐漸增大,所以合力先減小後增大,因此加速度先減小後增大。

當合力與速度同向時小球速度增大,所以當小球所受彈力和重力大小相等時速度最大。選cd。

例2. 如圖所示, m =4kg的小球掛在小車後壁上,細線與豎直方向成37°角。求:

⑴小車以a=g向右加速;⑵小車以a=g向右減速時,細線對小球的拉力f1和後壁對小球的壓力f2各多大?

解:⑴向右加速時小球對後壁必然有壓力,球在三個共點力作用下向右加速。合外力向右,f2向右,因此g和f1的合力一定水平向左,所以 f1的大小可以用平行四邊形定則求出:

f1=50n,可見向右加速時f1的大小與a無關;f2可在水平方向上用牛頓第二定律列方程:f2-0.75g =ma計算得f2=70n。

可以看出f2將隨a的增大而增大。(這種情況下用平行四邊形定則比用正交分解法簡單。)

⑵必須注意到:向右減速時,f2有可能減為零,這時小球將離開後壁而「飛」起來。這時細線跟豎直方向的夾角會改變,因此f1的方向會改變。

所以必須先求出這個臨界值。當時g和f1的合力剛好等於ma,所以a的臨界值為。當a=g時小球必將離開後壁。

不難看出,這時f1=mg=56n, f2=0

例3. 如圖所示,在箱內傾角為α的固定光滑斜面上用平行於斜面的細線固定一質量為m的木塊。求:

⑴箱以加速度a勻加速上公升,⑵箱以加速度a向左勻加速運動時,線對木塊的拉力f1和斜面對箱的壓力f2各多大?

解:⑴a向上時,由於箱受的合外力豎直向上,重力豎直向下,所以f1、f2的合力f必然豎直向上。可先求f,再由f1=fsinα和f2=fcosα求解,得到:

f1=m(g+a)sinα,f2=m(g+a)cosα

顯然這種方法比正交分解法簡單。

⑵a向左時,箱受的三個力都不和加速度在一條直線上,必須用正交分解法。可選擇沿斜面方向和垂直於斜面方向進行正交分解,(同時正交分解a),然後分別沿x、y軸列方程求f1、f2:

f1=m(gsinα-acosα),f2=m(gcosα+asinα)

經比較可知,這樣正交分解比按照水平、豎直方向正交分解列方程和解方程都簡單。

還應該注意到f1的表示式f1=m(gsinα-acosα)顯示其有可能得負值,這意味這繩對木塊的力是推力,這是不可能的。這裡又有乙個臨界值的問題:當向左的加速度a≤gtanα時f1=m(gsinα-acosα)沿繩向斜上方;當a>gtanα時木塊和斜面不再保持相對靜止,而是相對於斜面向上滑動,繩子鬆弛,拉力為零。

例4. 如圖所示,質量m=4kg的物體與地面間的動摩擦因數為μ=0.5,在與水平成θ=37°角的恒力f作用下,從靜止起向右前進t1=2.

0s後撤去f,又經過t2=4.0s物體剛好停下。求:

f的大小、最大速度vm、總位移s。

解:由運動學知識可知:前後兩段勻變速直線運動的加速度a與時間t成反比,而第二段中μmg=ma2,加速度a2=μg=5m/s2,所以第一段中的加速度一定是a1=10m/s2。

再由方程可求得:f=54.5n

第一段的末速度和第二段的初速度相等都是最大速度,可以按第二段求得:vm=a2t2=20m/s 又由於兩段的平均速度和全過程的平均速度相等,所以有m

需要引起注意的是:在撤去拉力f前後,物體受的摩擦力發生了改變。

四、連線體(質點組)

在應用牛頓第二定律解題時,有時為了方便,可以取一組物體(一組質點)為研究物件。這一組物體一般具有相同的速度和加速度,但也可以有不同的速度和加速度。以質點組為研究物件的好處是可以不考慮組內各物體間的相互作用,這往往給解題帶來很大方便。

使解題過程簡單明瞭。

例5. 如圖所示,a、b兩木塊的質量分別為ma、mb,在水平推力f作用下沿光滑水平面勻加速向右運動,求a、b間的彈力fn。

解:這裡有a、fn兩個未知數,需要要建立兩個方程,要取兩次研究物件。比較後可知分別以b、(a+b)為物件較為簡單(它們在水平方向上都只受到乙個力作用)。可得

這個結論還可以推廣到水平面粗糙時(a、b與水平面間μ相同);也可以推廣到沿斜面方向推a、b向上加速的問題,有趣的是,答案是完全一樣的。

例6. 如圖,傾角為α的斜面與水平面間、斜面與質量為m的木塊間的動摩擦因數均為μ,木塊由靜止開始沿斜面加速下滑時斜面始終保持靜止。求水平面給斜面的摩擦力大小和方向。

解:以斜面和木塊整體為研究物件,水平方向僅受靜摩擦力作用,而整體中只有木塊的加速度有水平方向的分量。可以先求出木塊的加速度,再在水平方向對質點組用牛頓第二定律,很容易得到:

如果給出斜面的質量m,本題還可以求出這時水平面對斜面的支援力大小為:

fn=mg+mg(cosα+μsinα)sinα,這個值小於靜止時水平面對斜面的支援力。

例7. 如圖所示,ma=1kg,mb=2kg,a、b間靜摩擦力的最大值是5n,水平面光滑。用水平力f拉b,當拉力大小分別是f=10n和f=20n時,a、b的加速度各多大?

解:先確定臨界值,即剛好使a、b發生相對滑動的f值。當a、b間的靜摩擦力達到5n時,既可以認為它們仍然保持相對靜止,有共同的加速度,又可以認為它們間已經發生了相對滑動,a在滑動摩擦力作用下加速運動。

這時以a為物件得到a =5m/s2;再以a、b系統為物件得到 f =(ma+mb)a =15n

⑴當f=10n<15n時, a、b一定仍相對靜止,所以

⑵當f=20n>15n時,a、b間一定發生了相對滑動,用質點組牛頓第二定律列方程:,而a a =5m/s2,於是可以得到a b =7.5m/s2

例8. 長l的輕杆兩端分別固定有質量為m的小鐵球,杆的三等分點o處有光滑的水平轉動軸。用手將該裝置固定在杆恰好水平的位置,然後由靜止釋放,當桿到達豎直位置時,求軸對杆的作用力f的大小和方向。

牛頓運動定律

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