牛顿运动定律包括三条,即牛顿第一定律、牛顿第二定律和牛顿第三定律。
牛顿第一定律
牛顿第一定律指出,如果作用在物体上的合力为零,则静止的物体将保持静止状态,匀速直线运动的物体将继续匀速直线运动。
想想你周围的物体,例如桌子、石头或其他任何物体。一张静止的桌子,如果没有被移动或受到外力(例如推力或拉力)作用,就会保持静止状态。其他静止的物体也是如此。那么,静止的桌子、石头或其他任何物体是否就完全不受力作用呢?答案是肯定的,物体会受到力的作用,但所有作用力的总和(即合力)等于零。作用在地球等行星表面的静止物体上的力是重力(ω)和正压力(N)。重力的方向垂直于地心,正压力的方向也垂直于地心。这两个力的大小相等,方向相反,因此合力等于零。
如果一个物体以恒定速度沿直线运动,情况又会如何呢?为了说明这个问题,假设你推动一个物体,例如一块金属,使其在地板上滑动。被推动后,金属块会因为摩擦力而减速直至停止。为了让金属块移动得更远,你必须使地板表面和金属块表面都更加光滑。地板表面和金属块表面越光滑,金属块移动的距离就越远。如果地板表面完全光滑且没有摩擦力,金属块将持续运动而不会停止。那么,在完全光滑的地板表面上运动的金属块是否不受任何力的作用呢?实际上,金属块会受到一些力的作用,例如重力和正压力。这两个力沿垂直方向作用,如果地板完全光滑,它们不会影响金属块的水平运动。
牛顿第二定律
牛顿第二定律指出,如果作用在物体上的合力不为零,物体就会产生加速度。加速度的大小与合力的大小成正比,与物体的质量成反比。加速度的方向与合力的方向相同。
ΣF = ma(1.2)
说明:ΣF = 总力(kg·m/s² ),m = 质量(kg),a = 加速度(m/ s²)
公式 1.2 是牛顿第二定律的数学表述。
如果加速度的大小等于零(a = 0),则公式 1.2 变为公式 1.1。因此,牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。
根据公式 1.2,可以得出结论:力越大,加速度越大;反之,质量越大,加速度越小。通过相关实验,可以更好地理解力、质量和加速度之间的关系。例如,可以用自由落体来加速轨道上的动态列车,并使用计时器来测量列车的加速度。
牛顿第三定律
牛顿第三定律指出,如果物体1对物体2施加一个力,那么物体2也同时对物体1施加一个力。这两个力的大小相等,方向相反。一个力称为作用力,另一个力称为反作用力(作用力-反作用力)。
F作用= – F反应(1.3)
公式 1.3 是牛顿第三定律的数学表述。公式 1.3 中的负号表示力的方向。
做一个实验来更好地理解牛顿第三定律。如果你有一块滑板,站在上面用力推墙。推墙之后,滑板会向后移动。你的推力是向前的,而滑板向后移动。这表明墙也在对你施加推力。当你推墙的时候,墙也在对你施加推力。你的推力作用在墙上,而墙的推力作用在你身上。这两个力大小相等,方向相反。你可以把其中一个力称为作用力,另一个力称为反作用力。
你还可以做另一个实验:吹一个橡胶气球,然后在气球充满空气后松手。松手后,气球会“飞”起来。气球的运动方向与空气逸出的方向相反。这是怎么解释的呢?当气球的开口被松开时,气球会将空气推出。与此同时,空气也会推动气球。空气的推力使气球飞了起来。气球的推力作用于空气,空气的推力也作用于气球。这两个力大小相等,方向相反。
问题示例
1. 有四个物体:香蕉(4 kg)、书(0,8 kg)、篮球(3,5 kg)和芒果(1,2 kg)。篮子在粗糙的平面上(摩擦系数μ = 0,4)受到 30 N 的拉力。为了使篮子能够正常移动(忽略篮子的质量),必须放入篮子的物体是……
讨论
我们都知道:
香蕉的质量 (m1 ) = 4 kg
书的质量 (m² ) = 0,8 kg
小球的质量 (m³ ) = 3,5 kg
芒果质量 (m4 ) = 1,2 kg
拉力 (F) = 30 N
静摩擦系数(μs )= 0,4
重力加速度 (g) = 10 m/ s²
忽略篮子的质量
静摩擦力(f s )作用于物体静止且即将运动时,而动摩擦力作用于物体运动时。
问:物体的质量是多少?
Jawab:
当拉力(F)的大小等于静摩擦力(f s )的大小时,篮子就会移动。
计算静摩擦力(f s )的大小:
f s = μ s N = μ s w = μ s mg = (0,4)(m)(10)
f s = 4 米
确切的篮子会移动:
F = f s
30 = 4 米
米 = 30/4
m = 7,5公斤
香蕉质量 4 千克 + 球质量 3,5 千克 = 7,5 千克
必须放入篮子里的物品是香蕉和球。
2. 2014/2015学年高中/硕士物理全国统考试题第5题
如图所示,质量为 6 kg 的物体 A 和质量为 4 kg 的物体 B 通过绳子连接,并受到 F = 60 N 的拉力。
如果系统在运动,且地面与两个物体之间的动摩擦系数为 0,5 (tg θ = 3/4),g = 10 ms -2 ,那么连接两个物体的绳子 T 中的张力大小为……
A. 28,8 北
B. 30,0 北
C. 39,6 北
D. 48,0 北
东 50,0 北
讨论
已知:
物体 A 的质量 (m A ) = 6 kg
物体 B 的质量 (m<sub> B</sub> ) = 4 kg
拉力 (F) = 60 牛顿
物体与地面之间的动摩擦系数(μk )= 0,5
重力加速度 (g) = 10 m/ s²
正切值 θ = 3/4
问题:绳子 T 中的张力有多大?
回答 :
力 F 的水平分量:
F x = F cos θ
F x = (60)(4/5) = (4)(12) = 48 N
力 F 的垂直分量:
F y = F sin θ
F y = (60)(3/5) = (3)(12) = 36 N
物体A受到的正压力:
N A = w A = m A g = (6)(10) = 60 N
物体 B 的正压力:
N B + F y – w B = 0
N B + F y = w B
N B = w B – F y = m B g – F y = (4)(10) – 36 = 40 – 36 = 4 N
物体A与地面之间的动摩擦力:
f kA = μ k N A = (0,5)(60) = 30 N
物体 B 与地面之间的动摩擦力:
f kB = μ k N B = (0,5)(4) = 2 N
计算两个物体的加速度:
ΣF = ma
F x – T + T – f kB – f kA = (m A + m B ) a
绳子 T 中的张力沿绳子的长度方向大小相等,方向相反,因此从方程中消除。
F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a
48 – 2 – 30 = (6 + 4) a
16 = 10 a
一 = 16/10
a = 1,6 米/秒²
计算绳索的张力T:
考虑物体 A。作用在物体 A 上的水平(水平)方向上的力是向右的绳索张力(T)和向左的动摩擦力(f kA )。
ΣF = ma
T A – f kA = m A a
T A – 30 = (6)(1,6)
T A – 30 = 9,6
TA = 9,6 + 30 = 39,6 N
考虑物体 B。作用在物体 B 上的水平(水平)方向的力有向右的力 F x 、动摩擦力 (f kB ) 和向左的绳索张力 (T)。
ΣF = ma
F x – f kB – T B = m B a
48 – 2 – T B = (4)(1,6)
46 – T B = 6,4
46 – 6,4 = T B
T B = 39,6 N
因此,作用在物体 A 上的绳子中的张力 (T A ) = 作用在物体 B 上的绳子中的张力 (T B ) = 39,6 N。
正确答案是C。
3. 2014/2015学年高中/硕士物理全国统考试题第5题
请看下图!
由于力 F 的作用,物体系统发生运动。如果地面粗糙,且两个物体与地面之间的动摩擦系数为 0,2,那么这两个物体所受的加速度是多少?(cos 37 ° = 0,8 ,sin 37 ° = 0,6)
A. 2,6毫秒-2
B. 4,0 毫秒-2
C. 5,2 毫秒-2
D. 7,8 毫秒-2
E. 10,2 毫秒-2
讨论
已知:
物体 A 的质量 (m A ) = 4 kg
物体 B 的质量 (m<sub> B</sub> ) = 2 kg
拉力 (F) = 30 牛顿
物体与地面之间的动摩擦系数(μk )= 0,2
重力加速度 (g) = 10 m/ s²
cos 37 ° = 0,8
sin 37 ° = 0,6
问题:这两个物体分别受到多大的加速度?
回答 :
力 F 的水平分量:
F x = F cos θ
F x = (30)(0,8) = 24 N
力 F 的垂直分量:
F y = F sin θ
F y = (30)(0,6) = 18 N
物体A受到的正压力:
N A = w A = m A g = (4)(10) = 40 N
物体 B 的正压力:
N B + F y – w B = 0
N B + F y = w B
N B = w B – F y = m B g – F y = (2)(10) – 18 = 20 – 18 = 2 N
物体A与地面之间的动摩擦力:
f kA = μ k N A = (0,2)(40) = 8 N
物体 B 与地面之间的动摩擦力:
f kB = μ k N B = (0,2)(2) = 0,4 N
计算两个物体的加速度:
ΣF = ma
F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a
24 – 0,4 – 8 = (4 + 2) a
15,6 = 6 a
一 = 15,6/6
a = 2,6 米/秒²
正确答案是 A。