牛頓定律

牛頓運動定律包括三條,分別是牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律。

牛頓第一定律

牛頓第一定律指出,如果作用在物體上的合力為零,則靜止的物體將保持靜止狀態,勻速直線運動的物體將繼續勻速直線運動。

想想你周圍的物體,例如桌子、石頭或其他任何物體。一張靜止的桌子,如果沒有被移動或受到外力(例如推力或拉力)作用,就會保持靜止狀態。其他靜止的物體也是如此。桌子、石頭或其他任何靜止的物體就沒有受到任何力量的作用嗎?答案是肯定的,物體會受到力的作用,但所有作用力的總和(即合力)等於零。作用在地球等行星表面的靜止物體上的力是重力(ω)和正壓力(N)。重力的方向垂直於地心,而正壓力的方向也垂直於地心。這兩個力的大小相等,方向相反,因此合力等於零。

如果一個物體以恆定速率沿直線運動,情況又會如何呢?為了說明這個問題,假設你推動一個物體,例如一塊金屬,使其在地板上滑動。被推動後,金屬塊會因為摩擦力而減速直到停止。為了讓金屬塊移動得更遠,你必須讓地板表面和金屬塊表面都更加光滑。地板表面和金屬塊表面越光滑,金屬塊移動的距離越遠。如果地板表面完全光滑且沒有摩擦力,金屬塊將持續運動而不會停止。那麼,在完全光滑的地板表面上運動的金屬塊是否不受任何力的作用呢?實際上,金屬塊會受到一些力的作用,例如重力和正壓力。這兩個力沿著垂直方向作用,如果地板完全光滑,它們不會影響金屬塊的水平運動。

牛頓第二定律

牛頓第二定律指出,如果作用在物體上的合力不為零,物體就會產生加速度。加速度的大小與合力的大小成正比,與物體的質量成反比。加速度的方向與合力的方向相同。

ΣF = ma(1.2)

說明:ΣF = 總力(kg·m/s² ),m = 質量(kg),a = 加速度(m/ s²)

公式 1.2 是牛頓第二定律的數學表述。

如果加速度的大小等於零(a = 0),則公式 1.2 變成公式 1.1。因此,牛頓第一定律是牛頓第二定律的一個特例。

根據公式 1.2,可以下結論:力越大,加速度越大;反之,質量越大,加速度越小。透過相關實驗,可以更好地理解力、質量和加速度之間的關係。例如,可以用自由落體來加速軌道上的動態列車,並使用計時器來測量列車的加速度。

牛頓第三定律

牛頓第三定律指出,如果物體1對物體2施加一個力,那麼物體2也同時對物體1施加一個力。這兩個力的大小相等,方向相反。一個力稱為作用力,另一個力稱為反作用力(作用力-反作用力)。

F作用= – F反應(1.3)

公式 1.3 是牛頓第三定律的數學表述。公式 1.3 中的負號表示力的方向。

做一個實驗來更好地理解牛頓第三定律。如果你有一塊滑板,站在上面用力推牆。推牆之後,滑板會往後移動。你的推力是向前的,而滑板向後移動。這表示牆也在對你施加推力。當你推牆的時候,牆壁也在對你施加推力。你的推力作用在牆上,而牆的推力作用在你身上。這兩個力大小相等,方向相反。你可以把其中一個力稱為作用力,另一個力稱為反作用力。

你還可以做另一個實驗:吹一個橡膠氣球,然後在氣球充滿空氣後鬆手。放手後,氣球會「飛」起來。氣球的運動方向與空氣逸出的方向相反。這是怎麼解釋的呢?當氣球的開口被鬆開時,氣球會將空氣推出。同時,空氣也會推動氣球。空氣的推力使氣球飛了起來。氣球的推力作用於空氣,空氣的推力也作用於氣球。這兩個力大小相等,方向相反。

問題範例

1. 有四個物體:香蕉(4 kg)、書(0,8 kg)、籃球(3,5 kg)和芒果(1,2 kg)。籃子在粗糙的平面上(摩擦係數μ = 0,4)受到 30 N 的拉力。為了使籃子能夠正常移動(忽略籃子的質量),必須放入籃子的物體是…

彭巴哈桑2018年全國高中物理考試討論 - 7

我們都知道:

香蕉的質量 (m1 ) = 4 kg

書的質量 (m² ) = 0,8 kg

小球的質量 (m³ ) = 3,5 kg

芒果質量 (m4 ) = 1,2 kg

拉力 (F) = 30 N

靜摩擦係數(μs )= 0,4

重力加速度 (g) = 10 m/ s²

忽略籃子的質量

靜摩擦力(f s )作用於物體靜止且即將移動時,而動摩擦力作用於物體運動時。

問:物體的質量是多少?

答:

當拉力(F)的大小等於靜摩擦力(f s )的大小時,籃子就會移動。

計算靜摩擦力(f s )的大小:

f s = μ s N = μ s w = μ s mg = (0,4)(m)(10)

f s = 4 米

確切的籃子會移動:

F = f s

30 = 4 米

m = 30/4

m = 7,5公斤

香蕉質量 4 公斤 + 球質量 3,5 公斤 = 7,5 公斤

必須放入籃子裡的物品是香蕉和球。

2. 2014/2015年度高中/碩士物理全國統考題第5題

如圖所示,質量為 6 kg 的物體 A 和質量為 4 kg 的物體 B 透過繩子連接,並受到 F = 60 N 的拉力。

如果系統在移動,且地面與兩個物體之間的動摩擦係數為 0,5 (tg θ = 3/4),g = 10 ms -2 ,那麼連接兩個物體的繩子 T 中的張力大小為…

A. 28,8 N2015年全國高中物理考試討論 - 13

B. 30,0 N

C. 39,6 N

D. 48,0 北

東 50,0 北

彭巴哈桑

已知:

物體 A 的質量 (m A ) = 6 kg

物 B 的質量 (m<sub> B</sub> ) = 4 kg

拉力 (F) = 60 牛頓

物體與地面之間的動摩擦係數(μk )= 0,5

重力加速度 (g) = 10 m/ s²

正切值 θ = 3/4

問題:繩子 T 的張力有多大?

回答 :

力 F 的水平分量:2015年全國高中物理考試討論 - 14

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

物體A受到的正壓力:

N A = w A = m A g = (6)(10) = 60 N

物體 B 的正壓力:

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

物體A與地面之間的動摩擦力:

f kA = μ k N A = (0,5)(60) = 30 N

物體 B 與地面之間的動摩擦力:

f kB = μ k N B = (0,5)(4) = 2 N

計算兩個物體的加速度:

ΣF = ma

F x – T + T – f kB – f kA = (m A + m B ) a

繩子 T 中的張力沿著繩子的長度方向大小相等,方向相反,因此從方程式中消除。

F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a

48 – 2 – 30 = (6 + 4) a

16 = 10 a

a = 16/10

a = 1,6 公尺/秒²

計算繩索的張力T:

考慮物體 A。作用在物體 A 上的水平(水平)方向上的力是向右的繩索張力(T)和向左的動摩擦力(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

考慮物體 B。作用在物體 B 上的水平(水平)方向的力有向右的力 F x 、動摩擦力 (f kB ) 和向左的繩索張力 (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,作用在物體 A 上的繩子中的張力 (T A ) = 作用在物體 B 上的繩子中的張力 (T B ) = 39,6 N。

正確答案是C。

3. 2014/2015學年高中/碩士物理全國統考題第5題

請看下圖!

由於力 F 的作用,物體系統發生運動。如果地面粗糙,且兩個物體與地面之間的動摩擦係數為 0,2,那麼這兩個物體所受的加速度是多​​少? (cos 37 ° = 0,8 ,sin 37 ° = 0,6)

A. 2,6毫秒-22015年全國高中物理考試討論 - 15

B. 4,0 毫秒-2

C. 5,2 毫秒-2

D. 7,8 毫秒-2

E. 10,2 毫秒-2

彭巴哈桑

已知:

物體 A 的質量 (m A ) = 4 kg

物 B 的質量 (m<sub> B</sub> ) = 2 kg

拉力 (F) = 30 牛頓

物體與地面之間的動摩擦係數(μk )= 0,2

重力加速度 (g) = 10 m/ s²

cos 37 ° = 0,8

sin 37 ° = 0,6

問題:這兩個物體分別受到多大的加速度?

回答 :

力 F 的水平分量:2015年全國高中物理考試討論 - 16

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

物體A受到的正壓力:

N A = w A = m A g = (4)(10) = 40 N

物體 B 的正壓力:

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

物體A與地面之間的動摩擦力:

f kA = μ k N A = (0,2)(40) = 8 N

物體 B 與地面之間的動摩擦力:

f kB = μ k N B = (0,2)(2) = 0,4 N

計算兩個物體的加速度:

ΣF = ma

F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a

24 – 0,4 – 8 = (4 + 2) a

15,6 = 6 a

a = 15,6/6

a = 2,6 公尺/秒²

正確答案是 A。