第一章-牛顿力学基本原理

理论力学一、力学的分类宏观系统(h不起作用)微观系统(h起作用)低速运动——量子力学高速运动——量子场论（相对论量子力学）高速运动(v接近c)--相对论力学低速运动(v远远小于c)--经典力学（以观点分）（以对象分）（以方法分）运动学动力学静力学质点力学质点组力学刚体力学牛顿力学（矢量力学）分析力学连续介质力学注：连续介质力学(包括弹性体力学和流体力学)是研究质量连续分布的可变形物体运动规律的科学。二、理论力学的研究对象经典力学的应用范围是：宏观、低速运动物体。理论力学是经典力学的一大部分，但不讨论连续介质力学。静力学不象工科一样详尽，而只是作为动力学的一特例。理论力学：是研究宏观物体机械运动规律的一门学科。机械运动：是物体在空间的位置随时间的变化。三、理论力学的研究方法是从实践出发，经过抽象化、综合、归纳、建立公理，再应用数学演绎和逻辑推理而得到定理和结论，形成理论体系，然后再通过实践来验证理论的正确性。实践抽象综合公理数学演绎逻辑推理应用定理、结论四、《理论力学教程》的内容框架质点力学质点组力学刚体力学转动参照系分析力学主要参考书目：1陈世民.理论力学简明教程,高教出版社,20012周衍柏.理论力学教程（第三版）,高教出版社,19863刘焕堂.理论力学原理与方法,厦大出版社,19974胡慧玲等.理论力学基础教程,高教出版社,19865卢圣治.理论力学基本教程，北师大出版社，20046H.Goldstein,ClassicalMechanics,2-ndedition,AddisonWesley,1980•要求记笔记评分比例：30%+70%第一章牛顿力学的基本原理§1.1质点运动的描述方法一、参照系与坐标系1.参照系物质的运动是绝对的，运动的描述是相对的。物体的位置只能相对地确定，为研究一个物体必须事先选定另一个物体作为参考标准（参照物），这样的物体就叫做参照系或参考系。①参照物不同，对同一个物体运动的描述结果可能不同；②观察者是站在参照系的观察点上；③不特别说明都以地球为参照系。说明：{直角坐标系极坐标系柱坐标系球坐标系自然坐标系2.坐标系为了定量研究的空间位置，就必须在参考系上建立坐标系。参照系确定后，在参照系上选择适宜的坐标系，便于用教学方式描述质点在空间的相对位置（方法）。坐标系),,(zyxkji,,kzjyixr坐标变量单位矢量位矢表达式位矢长度222zyxr(1)直角坐标系xzyijkO),,(zyxPrxyz),(reer,rerr坐标变量单位矢量位矢表达式位矢长度rr(2)平面极坐标系Oxyrere),(rPzeee,,),,(z坐标变量单位矢量位矢表达式位矢长度22zr(3)柱坐标系xzyzezeO),,(zPezezer(4)球坐标系坐标变量单位矢量位矢表达式位矢长度),,(reeer,,rerrrrxzyeereOrer,θ,P3、质点及位置的描述(1)质点：理想模型，有一定质量的几何点（物体形状可忽略，物体作平动）。在研究物体的机械运动时，不考虑物体的大小和形状，而只计及其质量的力学模型就叫质点。(2)位置描述②坐标描述：①质点相对某参照系的位置，可由位矢r确定;直角坐标系:kzjyixr二、运动学方程及轨道1、运动方程极坐标系：),(rP描述物体在参考空间中任一瞬时位置的数学表达式称为运动学方程。质点的运动学方程确定了点在参考空间中任一瞬时的位置，并由此可进一步揭示质点运动的几何性质：轨迹、速度和加速度等。写出质点的运动学方程是研究质点的运动学的首要任务。一般常用的方程有（1）矢量形式的运动学方程)(trr自然坐标系：osP()Ps当质点运动时r是时间t的单值连续函数。此方程常用来进行理论推导。它的特点是概念清晰，是矢量法分析质点运动的基础。（2）直角坐标形式的运动学方程)()()(tzztyytxx这是常用的运动学方程，尤其当质点的轨迹未知时。它是代数方程，虽然依赖于坐标系，但是运算容易。（3）极坐标下的运动学方程)()(ttrr当质点在某平面上运动时，在任一瞬时，其位置也可用极坐标确定。（4）自然坐标形式的运动学方程)(tss对运动轨迹已知的质点，常用此方程。用自然法研究运动，运算比较简便，各运动参数的物理意义明确。质点在参考空间中的位置还可用其它的方法确定，例如柱坐标法或球坐标法。通过坐标形式的方程表示质点的运动方程，并由此继续描述质点的其它运动量的方法称为分析方法。2、轨道质点运动过程中在空间描述出的连续曲线,运动学方程中消去t得轨道方程。(直线运动、曲线运动)。三、位移、速度、加速度1、位移：2、速度：r3、加速度：),,(zyxkji,,kzjyixr坐标变量单位矢量位矢表达式位矢长度222zyxr(1)直角坐标系xzyijkO),,(zyxPrxyz四、速度、加速度分量表示式位矢kzjyixr1、速度：分量式：大小：方向：可用速度与三个坐标轴的方向余弦表示222222222//),(cos//),(cos//),(coszyxzvvkvzyxyvvjvzyxxvvivzyx2、加速度：分量式：大小：[例1]设椭圆规尺AB的端点A与端点B沿直线导槽ox及oy滑动（如下图所示），而B以匀速度c运动，求椭圆规尺上M点的轨道方程，速度及加速度.设MA=a,MB=b,.OBA32243223221csc)(sin1)(xbacbbabcbabc4222231MbcaaxyxabM点速度的方向：MMyxcos,cosM点加速度的方向：MMayaxcos,cos二、极坐标系1、速度：注意:方向都变化，乘积函数求导。ji,①先求：diiid10d同理：②速度分量式：大小：2、加速度()darrirjdtririrjrjrj即：22rirjrjri22rrirrj[例3]已知一质点的运动方程为,,bterct试求其速度与加速度。cbre三、自然坐标系1、ddsnndsdt质点所在位置处轨道曲线的曲率半径vdtdsdtdsdsrddtrdv3、速度1dsrddsrd∵∴4、加速度nvdtdvnvvdtdvdtdvdtdvvdtddtvda2ddsnndsdtdtd解:[例4]设质点P沿螺旋线运动，试求速度、加速度及轨道的曲率半径。t4sin2xt4cos2yt4z四、柱坐标系.sincoszzryrxkzrrR0kzrrrv00zvrvrvzr222zrvvvvv{kzrrrrrva2020zarrarrazr22222zraaaa五、质点运动学问题的解一、三种类型1、已知),(trr求av,微分、导数2、已知),(taa),(vaa)(raa求rv,积分，解微分方程（1）已知)(vfa)(vfdtdv)()()(00txtvdtvfdvttvv（2）已知)(xfa)(xfdtdvxxvvdxxfvdvxfdxdvvdtdxdxdvdtdv00)()()()(txxxv（3）已知)(trr，求轨道、ρnnava2动力学引言动力学研究物体的机械运动与作用力之间的关系。动力学中所研究的力学模型是质点和质点系(包括刚体)。动力学的理论基础：是牛顿三大定律，它们也被称为动力学的基本定律。牛顿IssacNewton（1643－1727）英国物理学家,经典物理学的奠基人.他对力学、光学、热学、天文学和数学等学科都有重大发现.★牛顿在光学上的主要贡献是发现了太阳光是由7种不同颜色的光合成的，他提出了光的微粒说。★牛顿在数学上的主要贡献是与莱布尼兹各自独立地发明了微积分，给出了二项式定理。★牛顿在力学上最重要的贡献，也是牛顿对整个自然科学的最重要贡献是他的巨著《自然哲学的数学原理》。这本书出版于1687年，书中提出了万有引力理论并且系统总结了前人对动力学的研究成果，后人将这本书所总结的经典力学系统称为牛顿力学。§1.2牛顿定律任何质点如不受力作用，则将保持其原来静止的或匀速直线运动的状态不变。一.第一定律（惯性定律）质点保持其原有运动状态不变的属性称为惯性事实上，不存在不受力的质点，若作用在质点上的力系为平衡力系，则等效于质点不受力。惯性和力的概念v时，恒矢量0F惯性是物体保持静止或匀速直线运动状态的内禀属性；力是改变物体运动状态的外加因素。该定律表明：力是改变质点运动状态的原因。惯性定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。存在一惯性参考系，可建立一系列相对它匀速平动的其它惯性系。非惯性系：相对惯性系做变速平动或转动的参考系常见力重力RhRmGMhRmGMmgh2122地地弹性力kxF摩擦力Nf阻力vf四种基本相互作用＊以距源处强相互作用的力强度为1m1015力的种类相互作用的物体力的强度力程万有引力一切质点无限远3810弱力大多数粒子小于m10171310电磁力电荷无限远210强力核子、介子等m10151＊二.第二定律（力与加速度关系定律）质点受力作用时所获得的加速度的大小与作用力的大小成正比，与质点的质量成反比，加速度的方向与力的方向相同。即：mFa或Fam由于上式是推导其它动力学方程的出发点，所以通常称上式为动力学基本方程。注意：当质点同时受几个力的作用时,式中的F为这些力的合力。牛顿第二定律只在惯性系中成立四．第三定律（作用反作用定律）两物体之间的作用与反作用力总是大小相等、方向相反、作用线在沿同一直线上。应说明：此定律它不仅对静力问题适用，对运动问题也适用。五、质点运动微分方程将动力学基本方程用微分形式表示所得到的方程称为质点运动微分方程。1.矢径形式的质点运动微分方程由动力学基本方程：由运动学可知：Fam22dtrddtvda于是可得：FdtvdmFdtrdm22或2.直角坐标形式的质点运动微分方程xFdtxdm22yFdtydm22zFdtzdm223、自然坐标形式的质点运动微分方程FdtdvmnFvm2bF0或Fdtsdm22nFsm2bF04、用质点运动微分方程解题第一类问题：已知质点的运动，求作用在质点上的力。这类问题其实质可归结为数学上的求导问题。第二类问题：已知作用在质点上的力，求质点的运动。这类问题其实质可归结为数学上的解微分方程或求积分问题。应说明的是:)(tFdtdvmtvvdttFmdv0)(01、当力是常数或是时间的简单函数时，有则。2、当力是位置的简单函数时，有)(xFdtdvm)(xFdxdvmv分离变量积分xxvvdxxFmvdv00)(3.、当力是速度的简单函数时，有分离变量积分)(vFdtdvmtvvdtdvvFm00)(dxdvvdtdxdxdvdtdv利用循环求导变换,则有1.第一类：已知质点运动，求作用在质点上的力（微分问题）质点动力学两类问题的求解解题步骤和要点：①正确选择研究对象（一般选择联系已知量和待求量的