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台球运动中的物理和数学知识

(2012-02-24 10:19:25)
标签:

宋体

物体

牛顿第二定律

加速度

合外力

教育

1牛顿力学:因为击球后球是作减速运动 ,开始的速度,由于桌面的摩擦力会逐渐消弱。

牛顿第一定律(惯性定律)

 表述一:任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用时(Fnet=0),总是保持静止状态或匀速直线运动状态,直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。

  表述二:当质点距离其他质点足够远时,这个质点就作匀速直线运动或保持静止状态。

  即:质量是惯性大小的量度。

  惯性大小只与质量有关,与速度和接触面的粗糙程度无关。 

  质量越大,克服惯性做功越大;质量越小,克服惯性做功越小。

 

牛顿第二运动定律

物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。

 

公式:

F=ma(单位:N(牛)或者千克米每二次方秒)

牛顿发表的原始公式:F=d(mv)/dt(见自然哲学之数学原理

动量为p的物体,在合外力为F的作用下,其动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力。

用通俗一点的话来说,就是以t为自变量,p为因变量的函数的导数,就是该点所受的合外力。

即: F=dp/dt=d(mv)/dt d不是 delta),而是微分的意思。但是在中学学习的一般问题中,两者可以不做区别)

而当物体低速运动,速度远低于光速时,物体的质量为不依赖于速度的常量,所以有

F=m(dv/dt)=ma

这也叫动量定理。在相对论F=ma是不成立的,因为质量随速度改变,而F=d(mv)/dt依然使用。

由实验可得在加速度一定的情况下F∝m,在质量一定的情况下F∝a

(只有当FN,mkgam/s^2为单位时,F=ma成立)

几点说明:

 

1牛顿第二定律是力的瞬时作用规律。力和加速度同时产生、同时变化、同时消逝。

2F=ma是一个矢量方程,应用时应规定正方向,凡与正方向相同的力或加速度均取正值,反之取负值,一般常取加速度的方向为正方向。

3)根据力的独立作用原理,用牛顿第二定律处理物体在一个平面内运动的问题时,可将物体所受各力正交分解,在两个互相垂直的方向上分别应用牛顿第二定律的分量形式:Fx=maxFy=may列方程。

牛顿第二定律的六个性质

1)因果性:力是产生加速度的原因。

2)同体性:F合、ma对应于同一物体。

3)矢量性:力和加速度都是矢量,物体加速度方向由物体所受合外力的方向决定。牛顿第二定律数学表达式∑F ma中,等号不仅表示左右两边数值相等,也表示方向一致,即物体加速度方向与所受合外力方向相同。

4)瞬时性:当物体(质量一定)所受外力发生突然变化时,作为由力决定的加速度的大小和方向也要同时发生突变;当合外力为零时,加速度同时为零,加速度与合外力保持一一对应关系。牛顿第二定律是一个瞬时对应的规律,表明了力的瞬间效应。

5)相对性:自然界中存在着一种坐标系,在这种坐标系中,当物体不受力时将保持匀速直线运动或静止状态,这样的坐标系叫惯性参照系。地面和相对于地面静止或作匀速直线运动的物体可以看作是惯性参照系,牛顿定律只在惯性参照系中才成立。

6)独立性:作用在物体上的各个力,都能各自独立产生一个加速度,各个力产生的加速度的失量和等于合外力产生的加速度。

 

牛顿第三运动定律

  两个物体之间的作用力和反作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反。(详见牛顿第三运动定律) 

  F=-F' 

F表示作用力F'表示反作用力,负号表示反作用力F'与作用力F的方向相反)

 

2动量守恒定理(控制球的走向)

如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零,那么这个系统的总动量保持不变,这个结论叫做动量守恒定律。动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一,它既适用于宏观物体,也适用于微观粒子;既适用于低速运动物体,也适用于高速运动物体,它是一个实验规律,也可用牛顿第三定律和动量定理推导出来。

动量守恒定律和能量守恒定律以及角动量守恒定律一起成为现代物理学中的三大基本守恒定律

 

最初它们是牛顿定律的推论, 但后来发现它们的适用范围远远广于牛顿定律是比牛顿定律更基础的物理规律, 时空性质的反映。其中动量守恒定律由空间平移不变性推出, 能量守恒定律由时间平移不变性推出而角动量守恒定律则由空间的旋转对称性推出   相互间有作用力的物体系称为系统,系统内的物体可以是两个、三个或者更多,解决实际问题时要根据需要和求解问题的方便程度,合理地选择系统

动量守恒定律的适用条件

  (1)系统不受外力或系统所受的外力的合力为零。   (2)系统所受外力的合力虽不为零,但比系统内力小得多。   (3)系统所受外力的合力虽不为零,但在某个方向上的分力为零,则在该方向上系统的总动量保持不变——动量守恒。   注意:   (1)区分内力和外力   碰撞时两个物体之间一定有相互作用力,由于这两个物体是属于同一个系统的,它们之间的力叫做内力;系统以外的物体施加的,叫做外力。   (2)在总动量一定的情况下,每个物体的动量可以发生很大变化   例如:静止的两辆小车用细线相连,中间有一个压缩的弹簧。烧断细线后,由于弹力的作用,两辆小车分别向左右运动,它们都获得了动量,但动量的矢量和为零。   3.动量守恒的数学表述形式:   (1)p=p′.   即系统相互作用开始时的总动量等于相互作用结束时(或某一中间状态时)的总动量;   (2)Δp=0.   即系统的总动量的变化为零.若所研究的系统由两个物体组成,则可表述为:   m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′(等式两边均为矢量和  (3)Δp1=Δp2.   即若系统由两个物体组成,则两个物体的动量变化大小相等,方向相反,此处要注意动量变化的矢量.在两物体相互作用的过程中,也可能两物体的动量都增大,也可能都减小,但其矢量和不变

  动量定理Ft=mv2-mv1反映了力对时间的累积效应,是力在时间上的积累。为矢量,既有大小又有方向。 动能定理Fs=1/2mv^2-1/2mv0^2反映了力对空间的累积效应,是力在空间上的积累。为标量,只有大小没有方向。 

 

3摩擦力学:旋转

例如:击球的力度。打偏竿致使母球旋转碰到库的摩擦力从而改变弹出角度。母球和台布的摩擦力影响母球停的位置等等。

4、数学的几何:对称图形,相似三角形,全等三角形,平行线,反射定理

解球时,可能多次使用对称知识,找到第一个面的反射点和对称轴。

 

5碰撞

1.碰撞是指物体间相互作用时间极短,而相互作用力很大的现象  在碰撞过程中,系统内物体相互作用的内力一般远大于外力,故碰撞中的动量守恒,按碰撞前后物体的动量是否在一条直线区分,有正碰和斜碰中学物理一般只研究正碰  

2.按碰撞过程中动能的损失情况区分,碰撞可分为二种:   

a.完全弹性碰撞:碰撞前后系统的总动能不变,对两个物体组成的系统的正碰情况满足:   m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′   1/2 m1v1²+1/2 m2v2²=1/2 m1v1'²+1/2 m1v1'²(动能守恒)   两式联立可得: 

v1′=[(m1-m2) v1+2m2v2]/( m1+m2) V2=0时,v1′=(m1-m2)v1/(m1+m2)   v2′=[(m2-m1) v2+2m1v1]/( m1+m2) V2=0时,v2′=2m1v1/(m1+m2)   ·m1=m2,即第一个物体和第二个物体质量相等   这时v2'=v1 v1'=v2   ·m1>>m2,即第一个物体的质量比第二个物体大得多   这时m1-m2≈m1,m1+m2≈m1.则有v1'=v1 v2'=2v1   ·m1<<m2,即第一个物体的质量比第二个物体的质量小得多   这时m1-m2≈-m2, 2m1/(m1+m2)≈0.则有v1'=-v1 v2'=0   

b完全非弹性碰撞,该碰撞中动能的损失最大,对两个物体组成的系统满足:   m1v1+m2v2=m1+m2v(即两个物体合为一体继续运动)   

c.非弹性碰撞,碰撞后动能有一定的损失,损失比介于前二者之间。 

  系统在内力作用下,当一部分向某一方向的动量发生变化时,剩余部分沿相反方向的动量发生同样大小变化的现象.喷气式飞机、火箭等都是利用反冲运动的实例.若系统由两部分组成,且相互作用前总动量为零,则m1v1+m2v2=m1+m2v方向相反  一般为物体分离则有0=mv+(M-m)v` 

系统内力只改变系统内各物体的运动状态,不能改变整个系统的运动状态,只有外力才能改变整个系统的运动状态,所以,系统不受或所受外力为0,系统总动量保持不变  爆炸与碰撞的比较   (1)爆炸,碰撞类问题的共同特点是物体的相互作用突然发生,相互作用的力为变力,作用时间很短,作用力很大,且远大于系统所受的外力,故可用动量守恒定律处理。   (2)在爆炸过程中,有其他形式的能转化为动能,系统的动能在爆炸后可能增加;在碰撞过程中,系统总动能不可能增加,一般有所减少转化为内能。   (3)由于爆炸,碰撞类问题作用时间很短,作用过程中物体的位移很小,一般可忽略不计,可以把作用过程作为一个理想化过程简化处理,即作用后还从作用前的瞬间的位置以新的动量开始运动。 

 

 

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