登陆注册
5988900000012

第12章 力的瞬时作用规律——牛顿第二运动定律

1.牛顿第二运动定律的内容

牛顿第二运动定律指的是物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向相同。

如果用物理学的观点来看牛顿运动第二定律,还可以这样表达:物体随时间变化之动量变化率和所受外力之和成正比。也就是说动量对时间的一阶导数等于外力的和。

2.公式

现在多用F合=ma。在相对论中,F=ma这一公式是不适用的,由于质量是随着速度的变化而改变的,在相对论中牛顿原始公式现在仍然在使用。

其中,以下几点值得大家注意。

其一,该定律是力的瞬时作用规律,力和加速度都是同时产生、同时变化、同时消失的。

其二,由于F=ma是一个矢量方程,在应用时应该规定正方向,任何与正方向相同的力或加速度都要取正值,相反则取负值,通常情况下,取的正方向也就是加速度的方向。

其三,以力的独立作用原理为根据,如果利用牛顿第二运动定律来解答物体在一个平面内运动的问题时,可以将物体所受各力进行正交分解后进行力的合成和计算。然后利用牛顿第二运动定律的分量形式Fx=max和Fy=may,分别在两个互相垂直的方向上列出方程。

3.牛顿第二运动定律的五个性质

力和加速度都是矢量,质量为标量,其性质有:

同体性:F合、m、a与同一物体相对应。

瞬时性:当质量一定的物体,受到的外力突然发生变化时,与此同时,作为由力决定的加速度的大小和方向也要突然发生变化;当合外力为零时,同时加速度也为零,而且加速度与合外力保持一一对应的关系。该定律是一个瞬时对应的规律,能够说明力的瞬间效应。

矢量性:因为力和加速度都是一个矢量,所以物体加速度方向取决于物体所受合外力的方向。该定律的数学表达式为∑F=ma,中间的等号不仅是用来表示左右两边数值的相等,还表示方向的一致性,也就是说物体加速度方向与所受合外力方向是相同的。

相对性:在自然界中,有一种坐标系,当物体在这种坐标系中不受力时,仍然能保持匀速直线运动或静止状态,这就是我们所说的惯性参照系。该定律只在惯性参照系中才成立,然而地面和相对于地面静止或作匀速直线运动的物体同样也可以看作是惯性参照系。

独立性:作用在物体上的任何一个力,都能够各自独立产生一个加速度,各个力产生的加速度的失量和与合外力产生的加速度是相等的。

4.适用范围

由于测不准原理,当考察物体的运动线度可以和该物体的德布罗意波长互相比拟的时候,对于物体的动量和位置而言,已是不能够同时准确获知的量,正是这个原因,使得牛顿动力学方程缺少准确的初始条件,难以解答出来。换句话说,由于测不准原理,经典的描述方法已经没有以前的效果了,或者说需要修改。在量子力学中,利用希尔伯特空间中的态矢概念来代替位置和动量的概念,从而用来描述物体的状态,用薛定谔方程代替牛顿动力学方程,也就是含有力场具体形式的牛顿第二运动定律。

为什么会用态矢来代替位置和动量呢?这是因为测不准原理无法同时知道位置和动量的准确信息,不过还可以知道位置和动量的概率分布。我们所知道的测不准原理,对测量精度的限制仅仅在于二者的概率分布上存在的关系是确定的。

此外,我们所熟知的牛顿动力学方程并不是洛伦兹协变的,因此不能与狭义相对论相容。这样一来,当物体做高速移动时,便需要修改力、速度等力学变量的一些概念,只有这样才能使动力学方程满足洛伦兹协变这一要求。不仅如此,它在物理预言上也会随着速度的增加而接近光速,与经典力学有所区别。

不过,在这里值得注意的是,我们可以引入“惯性”使牛顿第二运动定律的表示形式能够用在非惯性系中。下面就是一个例子:

有一节车厢,相对地面以加速度为a做直线运动。在车厢的地板上放着一个质量为m的小球,如果假设小球所受的合外力为F,那么相对车厢的加速度也就是a‘。把车厢视为一个参考系,这样一来,牛顿运动定律自然不成立,也就是说F=ma’这一等式是不成立的。

换一种思维,如果以地面为参考系,可以得出这样一个结论:

F=ma对地

a对地在这一式中,是小球相对于地面的加速度。以运动的相对性为根据,可以得出a对地=a a。

然后将这一式子带入上式,就可以得出这样一个式子:

F=m(a a‘)=ma ma’

即F (-ma)=ma

这时,将Fo=-ma引入式中,称为惯性力,可以得到

F Fo=ma

事实上,这就是在非惯性系中使用的牛顿第二运动定律的表达形式。

由此可见,将牛顿第二运动定律应用于非惯性系中的时候,不仅需要真正的合外力,引入惯性力Fo=-ma也是必不可少的,它的方向与非惯性系相对惯性系(地面)的加速度a的方向是相反的,而大小与被研究物体的质量乘以a是相等的。

不过,在这里需要注意的是:当m(物体的质量)一定时,F(物体所受合外力)与a(物体加速度)成正比例关系这一说法是错误的。这是因为合力取决于加速度,如果换一种说法:当m(物体的质量)一定时,a(物体的加速度)与F(物体所受合外力)成正比。这一说法则是正确的。

5.解题技巧

在解题时,如果利用牛顿第二运动定律,第一步就要分析物体的受力情况、运动图景,然后将各个方向(一般为正交分解)的受力方程与运动方程列出来。与此同时,不要忘记寻找题目中的几何约束条件(如沿绳速度相等),再列出约束方程。将各方程得到物体的运动学方程联立起来,依据题目要求积分求解。

同类推荐
  • 杰出青少年一生的行动计划

    杰出青少年一生的行动计划

    青少年风华正茂,无不渴望杰出。要成就杰出,就必须付出实际行动。但如何去行动,先做什么,后做什么?又该如何站在整个人生的高度,协调各方面因素制定贯穿一生的行动计划?本书总结众多杰出人物的人生经历,为青少年展现出一幅全面规划人生的宏伟蓝图,引导青少年有条不紊地开创成功卓越的人生。
  • 敬业尽责(中华美德)

    敬业尽责(中华美德)

    中华美德的形成和发展历经五千年,内容博大而精深。中国是文明古国、礼仪之邦,重德行、贵礼仪。自古以来,中华传统美德始终是中华民族赖以生存的道德根基和思想基础,是中华民族发展的精神支柱和文化动力。青少年时期是品德形成的重要时期,对于以后的道德观的树立有着极大的影响,因此,从青少年时期就要给他们正确的引导,使之逐渐形成正确的道德认识、道德情感、道德行为和道德意志。本书通过故事告诉青少年孝、义、节、礼等传统道德规范和行为准则。在青少年学习传统文化的同时,也重新认识了“中国的美”。这对外来文化充斥审美和阅读的今天,有着一种增强民族自豪感,了解中华文化,从浮躁到宁静的“回归”的意义。
  • 青少年道德修养综合手册:礼仪篇

    青少年道德修养综合手册:礼仪篇

    《青少年道德修养综合手册》包括八篇四十八个章节,详尽地阐述了青少年的品质、观念、守则、礼仪、理想、感悟、情操、哲理等八个方面的全部内容。
  • 闪闪奇遇记二:淡水龟王子

    闪闪奇遇记二:淡水龟王子

    《闪闪奇遇记二:淡水龟王子》善良英俊的王子被施了魔法,变成了弱小无助的淡水龟,偶遇主人公闪闪后,他将如何自救,如何恢复魔力并打败邪恶的巨人呢?
  • 开心国学1000问

    开心国学1000问

    1000个国学问答,生动轻松,趣味盎然,以一种你没有见过的别样的方式,让你在轻松答问题的时候,开心学国学。
热门推荐
  • 欢乐颂之二二零四

    欢乐颂之二二零四

    从外地来上海打拼的樊胜美、关雎尔、邱莹莹三个女生合租一套房,与高智商海归金领安迪、魅力超群的富家女曲筱绡同住在一个名叫“欢乐颂”的中档小区22楼。五个女人性格迥异,各自携带着来自工作、爱情和家庭的困难与不如意,因为邻居关系而相识相知,从互相揣测对方到渐渐接纳彼此并互相敞开心扉,在这一过程中齐心协力解决了彼此生活中发生的种种问题和困惑,并见证彼此在上海这座“魔都”的成长与蜕变,现在有多出来一个洛伊,他们之间又会有怎么样的摩擦呢。
  • The Mirror of Kong Ho

    The Mirror of Kong Ho

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 雪舞殇

    雪舞殇

    为何离别总是令人伤感?为何相见总是不如怀念?充满忧伤的字眼是寂寞?是空虚?是无奈?若真是要分离,当初也未必去相识…但当我们再转念一想时,只要能拥有开心快乐,就算是短暂的,那有何妨?与自己相爱的人在一起是虚还是实?是虚也好,是实也好,享受才是最重要的,只有懂的享受的人才懂的生活.忧郁的天使,飞向尘世的阴影。流下了一滴眼泪,然後黯然离去。穿过了忧伤,去到宁静而安详的”天堂”。躲在”天堂”幸福的深处,独自默默哭泣?是谁?是谁在说那只是幻影?只是梦境?渴望看见的美好的一切都变了,只有痛苦和恐惧在继续……缓缓的痛叫叫爱,刻骨铭心的痛叫错过,更有一种一生一世的痛叫做忘记!
  • 爱情在那个夏天发酵

    爱情在那个夏天发酵

    突然从房间里传出一声怒吼,某女急忙跑到大哥后面说:“大哥~救救我吧,不然我会死的!”大哥无奈加溺宠的说:“你又做什么事,惹他生气了。”“我没有。”某女小声的说。大哥吃醋的说:“你不是跟千玺最好吗!怎么!他不在就来找我来了!”突然,门被打开,源源怒吼道:“周沐雅馨,你跟我说这到底怎么回事……”这时门被打开,此人正是,千玺,某女一下子从大哥的身后出来,扑到千玺身上委屈的说:千玺,他欺负我……
  • 长恨书

    长恨书

    人活一世,总有些执着的事情。我遇到过一个人,他一直苦苦寻找他儿时的玩伴。我曾笑他傻,直到有一天。我手中执剑,不远千里跋涉,只为杀一个已死之人。
  • 绝不服输

    绝不服输

    末法时代降临,世界只剩百年光景,众生只有一线生机。生,还是死?这是一个选择。肖瑜选择了前进,向着传说中的原大陆——前进!********“上一世,末法时代,我输了。”“这一世,还是末法时代,但我绝不服输!”这是一个“绝不服输”的男人的回归!这是一个“绝不服输”的勇士的征程!
  • 总裁,别太娇宠

    总裁,别太娇宠

    世间是不是真的有因果?才会让你我经过上一辈的恩怨,再在这里遇见。有女小白,迷糊无双,有子炎凉,郎才艳艳。爱情从来没有坚定不移的,只有你及时出击,它才可能为你停留。爱情不是随心所欲的,不是你说有就有的,以前,一颗真心摆在你的面前,是你躲避不及,可是如今她已经放下,你为什么又开始纠缠?本文就是一个小白兔遇上大灰狼的故事,本文绝对不虐,有的只是甜蜜(^_^)求亲们多多收藏,点赞,打赏呗!推荐晓晓的其他红袖文!!!
  • 福妻驾到

    福妻驾到

    现代饭店彪悍老板娘魂穿古代。不分是非的极品婆婆?三年未归生死不明的丈夫?心狠手辣的阴毒亲戚?贪婪而好色的地主老财?吃上顿没下顿的贫困宭境?不怕不怕,神仙相助,一技在手,天下我有!且看现代张悦娘,如何身带福气玩转古代,开面馆、收小弟、左纳财富,右傍美男,共绘幸福生活大好蓝图!!!!快本新书《天媒地聘》已经上架开始销售,只要3.99元即可将整本书抱回家,你还等什么哪,赶紧点击下面的直通车,享受乐乐精心为您准备的美食盛宴吧!)
  • 倾城公子卫朝颜

    倾城公子卫朝颜

    她,她!她可是堂堂卫朝颜,怎么就沦落到穿越的地步了。宿命到底是和她开了多大的玩笑啊,不过就算是要整她,也不用这么整吧?她是混迹深夜的女王卫朝颜,就算是穿越,也不用沦落到要靠牺牲色相维持生活吧,对,你没听错,真的是牺牲色相。虽然穿越之后身为女子,却必须要顶着亲娘的压力扮作男人,还不能让人察觉。就算是她亲爹,这十九年竟然也没看出来她是个闺女,这是一种多么悲惨的感悟啊。她的娘亲是卫老爷的大夫人,唯独生了她这么一个,卫老爷还有三个出自侧室的儿子,各个都是如花似玉......不,是风流倜傥的公子啊!
  • 卿心所属(天长地久系列之二)

    卿心所属(天长地久系列之二)

    [花雨授权]一切都从错误开始!明明自己爱的另有其人,为什么自己却无法控制心的方向?她知不知道他找了她三年?想说一句对不起原来真的那么难。什么,她暗恋他的兄弟已经六年?哼,就算这样也绝不放手,她是他的——