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02第二章 牛顿运动定理
牛顿运动定律和质点动力学
相互作用与力
相互作用
任何物体都与其周围物体存在相互作用,使物体运动状态发生改变的根本原因正是这种相互作用。
行星受到太阳的作用才能绕日运行,苹果受到地球作用才能下落,电子受到原子核的作用才能和原子核结合成原子。
物体间各种不同的相互作用,构成了千变万化的物质世界。
动力学的基本问题就是研究物体间的相互作用,以及由此引起物体运动状态变化的规律。
力的概念
一个物体与其周围物体的相互作用有两个方面,一个方面是周围物体对该物体的作用,另一个方面是该物体对周围物体的作用,这两个方面的作用分别用作用力和反作用力来描述。
力的表现是改变物体的运动状态和改变物体的形状。反之,物体运动状态和物体形状的改变的根本原因是作用在该物体上的力。
力的矢量性和叠加原理
作用在物体上的力是一个矢量:
在直角坐标系中:
在自然坐标系中:
在球坐标系中:
几个物体对同一个物体作用的总力是这几个物体分别作用该物体力的矢量和,这叫做力的独立性原理或力的叠加原理。
基本力和常见力
基本力只有四种,它们分别是万有引力、电磁力、强力、弱力。
万有引力:任何两个物体之间都存在万有引力,万有引力是长程力。万有引力定律为:任何物体都具有一定的引力质量,两个物体之间的万有引力与这两物体的引力质量成正比,与这两个物体之间的距离平方成反比,方向在这两个物体的连线上,且为吸引力。
万有引力定律的数学表述:
建立参照系和坐标系;
两个物体的引力质量:和;
两个物体的位矢:和;
万有引力常数:;
物体1对物体2的万有引力:
物体2对物体1的万有引力:
电磁力:两个电荷之间存在电场力,两个运动电荷之间存在磁场力,总称为电磁力,它既有引力的也有斥力,电磁力为长程力。电磁力是万有引力的倍。静电力库伦定律为:两个电荷之间的静电力与这两个电荷的电荷量成正比,与这两个电荷之间的距离平方成反比,方向在这两个电荷的连线上,且同性电荷相斥,异性电荷相吸。
静电力库伦定律的数学表述:
建立参照系和坐标系;
两个电荷的电量:和;
两个电荷的位矢:和;
静电力常数:;
电荷1对电荷2的静电力:
电荷2对电荷1的静电力:
强力:在亚微观领域,在核子、介子和超子之间存在一种强力,强力是短程力,其作用范围很短,粒子之间距离超过时,强力小得可以忽略,小于时,强力占主要支配地位,而且距离大约为时,它都表现为引力,距离再减小,强力就表现为斥力。强力比电磁力大倍。两个相邻质子之间的强力可达。
弱力:在亚微观领域,在衰变放出电子和中微子过程中存在一种弱力,弱力是短程力。两个相邻质子之间的弱力只有左右。
世界上基本力只有四种,万有引力、电磁力、强力和弱力。爱因斯坦企图把万有引力与电磁力统一起来,但没有成功,60年代,格拉肖、温伯格和萨拉姆发展了弱力与电磁力相统一的理论,并在70年代和80年代初得到了实验的证明,人们期待有朝一日,能建立起弱、电、强的“大统一”理论,以致最后创立统一四种基本力的“超统一”理论。这是当前理论物理界最活跃的前沿课题。
重力:它是地球对其表面附近物体的的作用力,忽略地球自转的影响(其误差不超过0.4%),物体所受的重力就等于它所受的万有引力,设地球的质量为M,半径为R,物体的质量为m,即有
由此得
弹力:发生形变的物体,由于要恢复原状,对与它接触的物体会产生力的作用,这种力叫弹力。弹簧克定律:弹簧对其两端的物体有弹力的作用,弹力的大小与弹簧长度的变化量成正比,方向在两端点的连线上,弹簧被拉长时弹力为拉力,弹簧被压缩时弹力为推力。
弹簧克定律的数学表述:
建立参照系和坐标系;
弹簧的原始长度:
弹簧两个端点的位矢:和;
弹簧劲度系数:;
弹簧对端点1的弹力:
弹簧对端点2的弹力:
摩擦力:两个相互接触的物体在沿接触而相对运动时,或者有相对运动的趋势时,在接触面之间产生一对阻止相对运动的力,叫做摩擦力。最大静摩擦力正比于正压力N。
叫做静摩擦系数。它和相互接触的两物体的材料和表面情况有关,当外力超过最大静摩擦力时,物体间产相对运动,这时也有摩擦力,叫做滑动摩擦力,滑动摩擦力也与正压力N成正比。
叫做滑动摩擦系数,它也和相互接触的两物体的材料和表面情况有关,而且还和物体的相对速度有关,在大多数情况下,它随速度的增大而减小。对于给定的一对接触面来说,一般两者都小于1,在通常的速率范围内,可认为和速率无关,而且在一般问题的简要分析中还可认为。
牛顿运动定律
牛顿第一定律
牛顿第一定律:任何物体都保持静止的状态或沿一直线作匀速运动的状态,直到作用在它上面的力迫使它改变这种状态为止。
物体的惯性:惯性是物体具有保持其原有运动状态不变的特性,牛顿第一定律反映的就是物体的惯性。
要使物体运动状态发生改变,必须使物体受力作用,所以力是改变物体运动状态的根本原因。
物体所受的力处于平衡
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