的牛顿的第二定律或,如果一个对象经受的力或一组力的动力学状态的基本规律是没有被取消,那么该对象将被在合力的方向上被加速,即正比加速度该力网的强度与物体的质量成反比。
如果F为净力,M为物体的质量并达到所获得的加速度,则牛顿第二定律的数学表达式为:a = F / M或最常用的形式为F = M∙ 至
牛顿第二定律的解释。资料来源:自制。
解释和公式
如上所述,表达第二定律的通常方法是使用以下公式:
F = M∙ a
加速度和力都必须从惯性参考系中测量。请注意,质量为正数,因此加速度指向的方向与合力相同。
还要注意的是,当所产生的力为零(˚F = 0),则加速度也将是零(一个 = 0),只要M> 0。这个结果完全符合牛顿的第一定律或惯性定律。
牛顿的第一定律建立了惯性参考系统,即相对于自由粒子以恒定速度运动的那些系统。实际上,出于最常见的应用目的,固定在地面或相对于地面以恒定速度移动的任何其他参考系统将被视为惯性。
力是对象与环境交互作用的数学表达。力可以是恒定量,也可以随对象的时间,位置和速度而变化。
国际制(SI)中的力量单位是牛顿(N)。质量单位为(SI),单位为(kg),加速度单位为(m / s 2)。一牛顿的力是使质量为1 kg的物体以1 m / s 2加速所需的力。
解决的练习
练习1
质量为m的物体从某个高度掉落,测得的下降加速度为9.8 m /s²。
对于质量为m'的另一个对象和质量为m'的另一个对象以及另一个和另一个对象,也是如此。结果始终是用g表示的重力加速度,等于9.8 m /s²。在这些实验中,物体的形状及其质量值可以忽略因空气阻力引起的力。
要求找到与实验结果一致的地球吸引力(称为重量)模型。
解
我们选择惯性参考系统(相对于地面固定),其垂直X轴的方向为正方向向下。
唯一作用在质量物体m上的力是地面引力,该力称为重量P,因为它指向下方是正的。
质量物体m释放后获得的加速度为a = g,指向下方且为正。
我们提出牛顿第二定律
P =马
不管m的值如何,使得第二定律预测的加速度为g的P模型是什么?:唯一的选择是,只要m> 0,P = mg。
mg = ma求解的地方:a = g
我们得出的结论是,重量(地球吸引物体的力)将是物体的质量乘以重力加速度,其方向垂直且指向下方。
P =米∙g
练习2
2公斤重的块放在完全平坦和水平的地板上。如果对其施加1 N的力,则块在1 s后将获得什么加速度以及它将具有什么速度。
解
首先要定义一个惯性坐标系。选择了一根地板的X轴和垂直于其的Y轴。然后绘制一个力图,将力归因于块与其环境的相互作用。
力N代表法线,它是地板表面施加在砌块M上的垂直向上的力。已知N恰好平衡了P,因为砌块没有在垂直方向上移动。
F是施加到块M的水平力,指向X轴的正方向。
净力是质量块M上所有力的总和。我们使F,P和N的向量总和。由于P和N相等且相反,它们相互抵消,净力为F。
因此,产生的加速度将是净力和质量的商:
a = F / M = 1 N / 2 kg = 0.5 m /s²
由于块在1秒后从静止状态开始,其速度将从0 m / s变为0.5 m / s。
牛顿第二定律的应用
加速电梯
一个男孩用浴室磅秤测量体重。您得到的价值是50公斤。然后,男孩将重物移到他建筑物的电梯上,因为他想测量电梯的加速度。启动时获得的结果是:
- 秤的重量为58千克,持续1.5 s
- 然后再次测量50公斤。
利用这些数据,计算电梯的加速度及其速度。
解
磅秤以称为千克力的单位测量重量。根据定义,公斤力是地球吸引质量为1千克物体的力。
当唯一作用在物体上的力是物体的重量时,它的加速度为9.8 m /s²。因此1 kg_f等于9.8N。
那么男孩的体重P为50公斤* 9.8m /s²= 490 N
在加速过程中,秤向男孩施加的力N为58 kg_f,等效于58 kg * 9.8 m /s²= 568.4N。
电梯的加速度将由下式给出:
a = N / M-g = 568.4 N / 50 kg-9.8 m / s = 1.57 m /s²
电梯在1.5 s后以1.57 m /s²的加速度获得的速度为:
v = a * t = 1.57 m /s²* 1.5 s = 2.36 m / s = 8.5 Km / h
下图显示了作用在男孩身上的力的示意图:
蛋黄酱罐
一个男孩把一罐蛋黄酱递给他的兄弟,他的兄弟在桌子的另一端。为此,它以3 m / s的速度进行驱动。从他放下瓶子的那一刻起,直到瓶子停在桌子的另一端,行程为1.5 m。
确定桌子在瓶子上的摩擦力值,知道它的质量为0.45 kg。
解
首先,我们将确定制动加速度。为此,我们将使用从匀加速直线运动中已知的以下关系:
Vf²=Vi²+ 2 * a * d
其中,Vf是最终速度,Vi是初始速度,加速度为d,位移为d。
从先前的关系获得的加速度是瓶的位移为正。
a =(0-9(m / s)²)/(2 * 1.5 m)= -3 m /s²
蛋黄酱罐子上的净力是摩擦力,因为罐子的法向和重量平衡:Fnet =Fr。
Fr = m * a = 0.45 kg *(-3 m /s²)= -1.35 N = -0.14 kg-f
儿童实验
儿童和成人可以进行简单的实验,从而使他们能够验证牛顿第二定律在现实生活中确实有效。这里有两个非常有趣的地方:
实验1
一个简单的实验需要一个浴室磅秤和一部电梯。将浴室重量放入电梯中,并在向上启动,向下启动以及以恒定速度移动期间记录其标记的值。计算每种情况下的电梯加速度。
实验2
- 拿一辆润滑良好的玩具车
- 将绳索固定在末端。
- 在桌子的边缘,用铅笔或其他光滑的圆柱形物体粘上细绳,细绳将在上面滑过。
- 在绳子的另一端悬挂着一个小篮子,您将在其中放置一些硬币或用作重量的东西。
实验方案如下:
- 放开手推车,看着它加速。
- 然后通过在其上放置硬币或增加其质量的东西来增加推车的质量。
- 说加速度是增加还是减少。在推车上放更多的面团,看着它加速并完成。
然后,手推车不用额外的重量就可以加速。然后,将更多的重量放在篮子上,以增加施加到推车上的力。
- 将加速度与以前的情况进行比较,指出加速度是增加还是减少。您可以重复增加篮子的重量并观察推车的加速度。
- 指示它是增加还是减少。
- 分析您的结果,并说出它们是否符合牛顿第二定律。
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牛顿第二定律的例子。
牛顿第一定律。
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参考文献
- Alonso M.,Finn E.,1970年。《物理卷I:力学》。美洲教育基金SA 156-163。
- 休伊特,第,2012年。概念物理科学。第五版。41-46。
- 年轻,休。2015.大学物理与现代物理学。第14版Ed Pearson。108-115。