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5.S:牛顿运动定律(摘要)

关键条款

动力学 研究力如何影响物体和系统的运动
外力 作用在物体或系统之外的物体或系统上的力
强迫 用特定的大小和方向推或拉动物体;可以用向量表示或表示为标准力的倍数
自由落体 作用在物体上的唯一力是重力的情况
自由体图 草图显示作用于物体或系统的所有外力;系统由单个孤立点表示,力由从该点向外延伸的向量表示
胡克定律 在弹簧中,恢复力与施加的位移成正比且方向相反
惯性 物体抵抗其运动变化的能力
惯性参考框架 相对于惯性帧以恒定速度移动的参考系也是惯性的;相对于惯性帧加速的参考系不是惯性的
惯性定律 见牛顿的第一运动定律
净外力 作用于物体或系统的所有外力的矢量和;导致质量加速
牛顿 SI 力单位;1 N 是以 1 m/s 2 的速度加速质量为 1 kg 的物体所需的力
牛顿的第一运动定律 静止的身体保持静止状态,或者在运动时保持恒定速度运动,除非受到净外力的作用;也称为惯性定律
牛顿第二运动定律 系统的加速度与作用于系统的净外力成正比,方向相同,与其质量成反比
牛顿第三运动定律 每当一个物体对第二个物体施加力时,第一个物体所承受的力与它施加的力的大小相等,方向相反
法向力 支撑物体重量的力或载荷,垂直于载荷与其支撑物之间的接触表面;表面将这种力施加到物体上以支撑物体的重量
紧张 沿拉伸的柔性连接器(如绳索或电缆)起作用的拉力
推力 向前推动物体以响应向后力的反作用力
重量 w力作用在质量为 m 的物体上的力

关键方程式

净外力  vecFnet= sum vecF= vecF1+ vecF2+ ldots
牛顿第一定律  vecv=when vecFnet= vec0N
牛顿第二定律,向量形式  vecFnet= sum vecF=m veca
牛顿第二定律,标量形式  vecFnet=ma
牛顿第二定律,分量形式  sum vecFx=m vecax sum vecFy=m vecay sum vecF=m vecaz
牛顿第二定律,动量形式  vecFnet= fracd vecpdt
重量的定义,矢量形式  vecw=m vecg
权重的定义,标量形式 w=mg
牛顿第三定律  vecFAB= vecFBA
停留在水平表面的物体上的法向力,矢量形式  vecN=m vecg
停留在水平表面的物体上的法向力,标量形式 N=mg
停留在倾斜平面上的物体上的法向力,标量形式 N=mg cos theta
支撑静止质量为 m 的物体的电缆中的张力,标量形式 T=w=mg

摘要

5.1 部队

  • 动力学是研究力如何影响物体的运动,而运动学仅描述物体的移动方式。
  • 力是可以用各种标准定义的推力或拉力,它是一个既有大小又有方向的向量。
  • 外力是作用于身体的任何外部力量。 自由体图是作用于物体的所有外力的绘图。
  • 力的 SI 单位是牛顿 (N)。

5.2 牛顿第一定律

  • 根据牛顿的第一定律,速度发生任何变化(幅度或方向的变化)都必须是有原因的。 该定律也称为惯性定律。
  • 摩擦是一种导致物体减速的外力。
  • 惯性是物体保持静止或保持运动的趋势。 惯性与物体的质量有关。
  • 如果物体相对于给定帧的速度是恒定的,则该帧是惯性的。 这意味着对于惯性参考系来说,牛顿的第一定律是有效的。
  • 当系统上的力处于平衡状态时,即可实现平衡。
  • 净力为零意味着物体要么处于静止状态,要么以恒定速度移动;也就是说,它没有加速。

5.3 牛顿第二定律

  • 外力从系统外部作用于系统,而内力作用在系统内的组件之间。
  • 牛顿的第二运动定律说,具有一定质量的物体上的净外力与物体的加速度成正比,方向也与物体的加速度成正比。
  • 牛顿第二定律也可以将净力描述为动量的瞬时变化率。 因此,净外力会导致非零加速度。

5.4 质量和重量

  • 质量是物质中物质的数量。
  • 物体的重量是坠落物体上的净力或其引力。 物体因重力而经历加速。
  • 来自空中的某些向上阻力作用于地球上所有坠落的物体,因此它们永远无法真正自由落体。
  • 必须谨慎区分自由落体和失重,将重量定义为重力作用在一定质量的物体上产生的力。

5.5 牛顿第三定律

  • 牛顿的第三运动定律代表了自然界中的基本对称性,其经验力在大小上与施加的力相等,方向相反。
  • 两个相等和相反的力不会因为作用于不同的系统而取消。
  • 动作反应对包括游泳运动员推开墙壁、直升机通过向下推空气来产生升力,以及章鱼通过从体内喷出水来推动自己向前推进。 火箭、飞机和汽车由推力反作用力向前推进。
  • 选择系统是理解和解决问题的物理学的重要分析步骤。

5.6 普通力量

  • 当物体停留在表面上时,表面会向支撑物体重量的物体施加力。 这种支撑力垂直于表面,远离表面。 它被称为法力。
  • 当物体停留在非加速水平表面上时,法向力的大小等于物体的重量。
  • 当物体停留在θ与水平表面形成角度的倾斜平面上时,物体的重量可以分解为与平面表面垂直和平行作用的分量。
  • 沿拉伸的柔性连接器(如绳索或电缆)起作用的拉力称为张力。 当绳索支撑静止物体的重量时,绳索中的张力等于物体的重量。 如果物体在加速,则张力大于重量;如果物体在减速,则张力小于重量。
  • 摩擦力是移动物体(或有移动倾向的物体)平行于与运动(或其趋势)相反的界面所承受的力。
  • 弹簧中产生的力符合胡克定律,根据该定律,其大小与位移成正比,其感应方向与位移方向相反。
  • 真实力有物理来源,而虚构力之所以出现,是因为观察者处于加速或非惯性参照系中。

5.7 绘制自由体图

  • 为了绘制自由体图,我们绘制感兴趣的物体,绘制作用于该物体的所有力,并将所有力向量解析为 x 和 y 分量。 我们必须为问题中的每个物体绘制单独的自由体图。
  • 自由体图是描述和分析作用于物体的所有力的有用方法,以根据牛顿第一定律确定平衡或根据牛顿第二定律确定加速度。

贡献者和归因

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