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5 牛頓運動定律.

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1 5 牛頓運動定律

2 5-1 物理學探討什麼 5-2 牛頓力學 5-3 牛頓第一運動定律 5-4 力 5-5 質量 5-6 牛頓第二運動定律 5-7 一些特殊的力 5-8 牛頓第三定律 5-9 牛頓定律的應用

3 5-1 物理學探討什麼 物理學也探討造成物體加速的原因,這個原因稱之為力(force);或者,粗略來說,推動或拉動物體。我們通常說力作用(act)在物體上,使它改變速度。

4 5-2 牛頓力學 伊薩克‧牛頓(Isaac Newton;1642∼1727)所提出的力與加速度之間的關係,就被稱為牛頓力學(Newtonian mechanics)。 牛頓力學並不適用所有情形。當相互作用的物體速率非常大時—大約光速的幾分之幾—我們必須用愛因斯坦的狹義相對論取代牛頓力學。狹義相對論在任何速度下,包括接近光速時,都是正確的。而當相互作用的物體大小是在原子結構的尺度時(例如原子裡的電子),牛頓力學便無法適用,必須使用量子力學。

5 5-3 牛頓第一運動定律 換句話說,假設物體本來就是靜止的,它會維持靜止;假設物體正在運動,它會以相同的速度(相同的大小及方向)持續運動。

6 5-4 力 力的單位定義為:當這個力施於一標準參考物體(standard reference body)時,它的加速度。這個標準參考物體可選為「標準仟克」,它的質量被定義為 1 kg。 我們把標準參考物體置於水平無摩擦的桌上,並將它向右拉(見圖 5-1);藉著不斷嘗試,設法使它得到 1 m/s2 的加速度。然後我們可以說(定義):此時我們施於標準參考物體上的力之大小是 1 牛頓(縮寫為 N)。

7 圖5-1 作用在「標準仟克」物體上的力 F 使它有加速度a。

8 5-4 力 (續) 力是向量物理量,它們具有大小及方向。
這代表當兩個或兩個以上的力作用在物體上時,我們可以將個別的力做向量的相加,得到它們的淨力(net force)或合力(resultant force)。 一個與淨力有相同大小及方向的單一個力,當它作用在物體上時,得到的效果和所有個別的力同時作用在物體上產生的效果相同,這個理論稱之為力的疊加原理(principle of superposition for forces)。

9 5-4 力 (續) 5-3 節中關於牛頓第一定律的敘述,以淨力來說明最為適當:

10 5-4 力 (續) 慣性參考座標系 對於所有的參考座標系,牛頓第一定律並不一定都是對的,但我們總可找到某些參考座標系,使得牛頓第一定律(和其他牛頓的力學定律)成立。這些參考座標系稱為慣性參考座標系(inertial reference frames),或者簡稱慣性座標系(inertial frames)。

11 圖5-2 (a) 從固定在空間中的位置 觀察圓盤由北極開始滑行的 路徑。地球向東轉動。 (b) 從地面觀察圓盤的路徑。

12 5-5 質量 當相同的力作用在兩個物體時,兩個物體質量的比值等於它們加速度比值的倒數。
我們只能說「物體的質量是物體的一種特性,這個特性將施於該物體的力與物體的加速度關聯起來」。質量沒有其他較為熟悉的定義;只有當你試著加速一個物體,例如踢一顆棒球或一顆保齡球時,你才會感受到質量。

13 5-6 牛頓第二運動定律 到現在為止,我們可以討論過的定義、實驗及觀察總結為一簡潔的陳述: 將這個定律寫為方程式

14 5-6 牛頓第二運動定律 (續) 5-1 式相當於三個分量方程式,而每一個分量方程式分別代表 xyz 座標系上的每一個軸:
第一個方程式告訴我們所有 x 軸上的力的分量和,造成物體在 x 方向的加速度分量 ax,但它卻不會引起物體在 y 和 z 方向的加速度。

15 5-6 牛頓第二運動定律 (續) 反過來說,加速度分量 ax 只會是由沿 x 軸上的力分量和所引起的。總之,

16 表5-1

17 5-6 牛頓第二運動定律 (續) 利用牛頓第二定律解答問題時,我們通常會畫一個自由體圖(free-body diagram)。
我們通常以一個黑點(dot)來代表物體;同時,每一個作用於物體的力都以一個箭號表示,且箭尾都在物體上。

18 5-6 牛頓第二運動定律 (續) 一個系統(system)是由兩個或多個物體組成,任何由系統外的物體作用在系統內物體上的力,稱為外力(external force)。 假如組成系統的這些物體彼此堅固地連接起來,則我們可以將此系統視為一個複合體,而作用在這個複合體上的淨力 Fnet 是所有外力的向量和〔這並不包括內力(internal force);即系統內兩物體間的力〕。

19 5-7 一些特殊的力 重力 作用在物體上的重力(gravitational force)Fg,是某種將它拉向第二個物體的拉力。
假設有一個質量 m 的物體以自由落體加速度 g 落下。那麼,假如忽略空氣的影響,作用在物體上唯一的力便是重力 Fg。

20 5-7 一些特殊的力 (續) 我們沿著物體的路徑放上一個 y 軸並令向上方向為正。對這個軸而言,牛頓第二定律可寫成 Fnet, y=may 的形式。在我們現在討論的情況中,它變成 換句話說,重力的大小等於這個乘積 mg。

21 5-7 一些特殊的力 (續) 重量 物體的重量(weight)W 是指,當我們在地面上測量時,使物體不自由落下所需的淨力大小。
考慮一個物體,其相對於地面的加速度 a 為 0;同時,我們再次假設地面是慣性座標系。有兩個力作用在物體上:向下的重力 Fg 和一個大小為 W 的向上平衡力。沿著鉛直 y 軸方向(它的正方向是向上),我們可以寫出牛頓第二定律,

22 5-7 一些特殊的力 (續) 這個方程式變成 由 5-8 式,可以將 Fg 以 mg 代入,發現 這是物體的重量與質量之間的關係。
注意:物體的重量不是它的質量。

23 5-7 一些特殊的力 (續) 正向力 假如你站在一張床墊上,地球會將你向下拉,但是你仍保持不動。這是因為床墊向下變形,同時它將你往上推。同樣地,若你站在地板上,它也會變形(被擠壓、彎曲或扭曲,不過十分輕微)並將你往上推。 這個由床墊或地板作用在你身上的推力稱為正向力(normal force)FN,名稱是取自於數學名詞中的「正向」(normal),代表垂直的意思:地板作用在你身上的力與地板垂直。

24 圖5-7 (a) 置於桌子上的木塊會受到一正向力 FN, 此力垂直於桌面。(b) 木塊的自由體圖。

25 5-7 一些特殊的力 (續) 摩擦力 假如我們想將一物體滑過一個表面,則物體與表面間的連結將會阻擋物體的運動(我們將在下一章更詳盡地討論這個物體與表面間的連結)。 這個阻擋的效果被想成是因為一個力 f 的關係,它被稱為摩擦力(frictional force)或簡稱摩擦(friction)。這個力與接觸面平行,且與物體意圖運動的方向相反(見圖 5-8)。

26 圖5-8 在一表面上,摩擦力 f 與物體意圖運動的方向相反。

27 5-7 一些特殊的力 (續) 張力 當一條細繩(繩子或纜線等一類的東西)連接一物體並拉緊細繩時,細繩以一股力 T 拉著物體,這個力是沿著細繩並指向遠離物體方向的(見圖 5-9a)。 因為此時細繩處於一種緊繃(tension)的狀態下,這個力通常被稱為張力(tension force)。細繩中的張力即是作用於物體上力的大小 T。

28 圖5-9 (a) 處於緊繃狀態下的細繩。假設細繩的質量可以忽略,則它 以一股力 T 拉著物體。就算細線跨過一無質量且無摩擦的滑
輪時,如圖(b) 及圖 (c),這也是對的。

29 5-8 牛頓第三定律 當兩個物體互相推著或拉著彼此時,我們稱它們正在「相互作用」(interact);也就是,作用在每個物體的力是由另外一個物體所造成的。這一對力表示在圖 5-11b 中。 對書和紙箱而言,我們可寫出此定律的純量關係式:

30 5-8 牛頓第三定律 (續) 或向量關係式 FBC= – FCB (大小相等,方向相反)
上式中,負號代表這兩個力的方向相反。我們可以稱兩個物體間相互作用的兩個力為第三定律力配對(third-law force pair)。

31 圖5-11 (a) 書 B 斜靠在紙箱 C 旁邊。(b) 力 FBC(紙箱作用在書本上)
及力 FCB(書本作用在紙箱上)有相同的大小及相反的方向。

32 圖5-12 (a) 一顆甜瓜放在一張置於地球的桌子上。(b)作用在甜瓜上的 力是 FCT 及FCE。(c) 甜瓜與地球間的第三定律力配對。
(d) 甜瓜與桌子間的第三定律力配對。

33 5-9 牛頓定律的應用 範例5-5 圖 5-16a 中,一條繩子拉著一個箱子,並沿著一傾斜
θ=30° 且無摩擦的平面上升。箱子的質量是 m=5.00 kg ,且繩子施於箱子的力大小為 T=25.0 N。箱子沿著斜 面的加速度分量 a 是多少? 解題關鍵 沿著斜面的加速度是由沿著斜面的力分量決定的(與垂 直於斜面的力分量無關),就如 5-1 式的牛頓第二定律 所寫的。

34 範例5-5 (續) 解題算式 為了方便,我們將座標系及自由體圖畫在圖 5-16b 中。 x 軸的正方向是沿著斜面向上。由繩子來的力 T 是沿
著斜面向上,且大小為 T=25.0 N。重力的方向是向下 ,且mg=(5.00 kg)(9.8 m/s2)=49.0 N。更重要的是,重力 沿著斜面的分量是沿著斜面向下,且大小為 mg sinθ, 如圖 5-16c 所示(比較圖5-16b 及 c 內的直角三角形, 便可以看出為何三角函數會出現)。考慮力的方向,這 個分量應寫為 –mg sinθ。正向力垂直於斜面,因此與 沿著斜面的加速度無關。

35 圖5-16 (a) 一條繩子拉著一個箱子沿斜面上升。(b) 三個力作用於箱子
上:由繩子來的力 T、重力 Fg及正向力 FN。(c) Fg沿著斜面 及垂直於斜面的分量。

36 範例5-5 (續) 對 x 軸,以牛頓第二定律(Fnet=ma), 將數據代入,並解出 a,得 正的數值代表箱子是沿著斜面向上升。


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