大 学 物 理 质点运动学
合集下载
大学物理第1章质点运动学
则有
ax 2 R cost;
a y 2 R sint
加速度的大小
2 2 2 2 2 2 a ax a2 ( R cos t ) ( R sin t ) R y
根据矢量的点积运算，分别计算
v r [(R sint )i (R cost ) j ] [(R cost )i ( R sint ) j ] 0 2 2 v a [(R sint )i (R cost ) j ] [( R cost )i ( R sint ) j ] 0
大学物理
第一章 质点运动学
1.1 运动学的一些基本概念 1.1.1、参考系(reference frame)和坐标系(coordinate) 参考系：为了描述物体的运动而选取的参考标准物体。 （运动描述的相对性） 坐标系：直角坐标系、自然坐标系、极坐标系、球坐标系等. 说明 在运动学中，参考系的选择是任意的；在动力学中则不然 1.1.2、时间和空间的计量 1、时间及其计量 时间表征物理事件的顺序性和物质运动的持续性。时间测量的 标准单位是秒。1967年定义秒为铯—133原子基态的两个超精细 能级之间跃迁辐射周期的9192631770倍。量度时间范围从宇宙 年龄1018s(约200亿年）到微观粒子的最短寿命 10-24s.极限的时 间间隔为普朗克时间10-43s,小于此时间，现有的时间概念就不适 用了。
运动学中的两类问题
1、已知质点的运动学方程求质点的速度、加速度等问
题常称为运动学第一类问题．
r r (t )
微分
v, a
2、由加速度和初始条件求速度方程和运动方程的问题称 为运动学的第二类问题．
a , v0 , r0
大学物理——第1章-质点运动学
沿逆时针方向转动角位移取正, 沿顺时针方向转动角位移取负.
21
★ 角速度 ω 大小: ω = lim 单位:rad/s ★ 角加速度 β
v
θ dθ = t →0 t dt
v
ω dω d2θ 大小: β = lim = = 2 t →0 t dt dt
单位:rad/s2
22
★ 线量与角量的关系
dS = R dθ
16
取CF的长度等于CD
v v v v vτ vn v v v = lim + lim 加速度: a = lim = aτ + an t →0 t →0 t →0 t t t
v v 当 t →0 时,B点无限接近A点,vA与 vB v v 的夹角 θ 趋近于零,vτ 的极限方向与 vA v 相同,是A点处圆周的切线方向;vn的极 v 限方向垂直于 vA ,沿圆轨道的半径,指向
y
v v v r = r′ + R
v v v dr dr ′ dR 求导: = + dt dt dt
o
y′ M v u v v r′ r v o′ R
x′
z′
x
z v称为质点M的绝对速度, v称为质点M的相对速度, υ υ′
v 称为牵连速度. u
27
v v υ =υ′ +u
v
in 例1-6 一人向东前进,其速率为 υ1 = 50m/ m ,觉得风从 正南方吹来;假若他把速率增大为υ2 = 75m/ m , in
t
9
初始条件:t = 0 , x = 5m 【不定积分方法】
速度表达式是: v = 4+ 2t
x = ∫ vdt = ∫ (4 + 2t)dt = 4t + t 2 + C
21
★ 角速度 ω 大小: ω = lim 单位:rad/s ★ 角加速度 β
v
θ dθ = t →0 t dt
v
ω dω d2θ 大小: β = lim = = 2 t →0 t dt dt
单位:rad/s2
22
★ 线量与角量的关系
dS = R dθ
16
取CF的长度等于CD
v v v v vτ vn v v v = lim + lim 加速度: a = lim = aτ + an t →0 t →0 t →0 t t t
v v 当 t →0 时,B点无限接近A点,vA与 vB v v 的夹角 θ 趋近于零,vτ 的极限方向与 vA v 相同,是A点处圆周的切线方向;vn的极 v 限方向垂直于 vA ,沿圆轨道的半径,指向
y
v v v r = r′ + R
v v v dr dr ′ dR 求导: = + dt dt dt
o
y′ M v u v v r′ r v o′ R
x′
z′
x
z v称为质点M的绝对速度, v称为质点M的相对速度, υ υ′
v 称为牵连速度. u
27
v v υ =υ′ +u
v
in 例1-6 一人向东前进,其速率为 υ1 = 50m/ m ,觉得风从 正南方吹来;假若他把速率增大为υ2 = 75m/ m , in
t
9
初始条件:t = 0 , x = 5m 【不定积分方法】
速度表达式是: v = 4+ 2t
x = ∫ vdt = ∫ (4 + 2t)dt = 4t + t 2 + C
大学物理第一章质点运动学
∫ d x = ∫ (2t −t )dt
2 0 0
t
质点的运动方程
13 x = t − t （m） ） 3
2
(3) 质点在前三秒内经历的路程
s = ∫ vdt = ∫ 2t − t 2 dt
0 0
3
3
令 v =2t-t 2 =0 ，得 t =2
8 s = ∫ (2t − t )dt + ∫ (t − 2t)dt = m 0 2 3
初始条件为x 初始条件为 0=0, v0=0 质点在第一秒末的速度;(2)运动方程；(3)质点在前三秒内 运动方程； 质点在前三秒内 运动方程 求 (1) 质点在第一秒末的速度 运动的路程。 运动的路程。 解 (1) 求质点在任意时刻的速度 dv dv a= = 2 − 2t 由 dt dv = (2 − 2t) dt 分离变量 两边积分
y
P点在 系和 '系的空间坐标 、 点在K系和 系的空间坐标、 点在 系和K 时间坐标的对应关系为： 时间坐标的对应关系为：
y'
r v
P
}
r r
o z
r r′
o' x x'
r R
z'
伽利略坐标变换式
2. 速度变换 r r vK、vK′ 分别表示质点在两个坐标系中的速度 r r r d r ′ d(r − vt) r r r vK′ = = = vK − v dr′ r dt t r 即 vK′ = vK − v r r r vK = vK′ + v 伽利略速度变换
dv = g − Bv dt 分离变量并两边积分
t dv ∫0 g - Bv = ∫0 dt v
g v = (1− e−Bt ) B
大学物理第1章质点运动学的描述
t 4s
t0
0 2 4
t 2s 4
2
t 2s
x/m
6
-6 -4 -2
例3 如图所示, A、B 两物体由一长为 l 的刚性 细杆相连, A、B 两物体可在光滑轨道上滑行.如物体 A以恒定的速率 v 向左滑行, 当 60 时, 物体B的 速率为多少？ 解 建立坐标系如图, 物体A 的速度
1. 5 arctan 56.3 1
（2） 运动方程
x(t ) (1m s )t 2m
y(t ) ( m s )t 2m
1 4 2 2
1
由运动方程消去参数
1 -1 2 y ( m ) x x 3m 4
轨迹图
t 4s
6
t 可得轨迹方程为
y/m
三、位置变化的快慢——速度
速度是描写质点位置变化快慢和方向的物理量，是矢量。
速率是描写质点运动路程随时间变化快慢的物理量，是标量。 1 平均速度 在t 时间内, 质点从点 A 运动到点 B, 其位移为
B
y
r r (t t) r (t)
r (t t)
s r
质点是经过科学抽象而形成的理想化的物理模 型 . 目的是为了突出研究对象的主要性质 , 暂不考 虑一些次要的因素 .
二、位置矢量、运动方程、位移
1 位置矢量
确定质点P某一时刻在 坐标系里的位置的物理量称 . 位置矢量, 简称位矢 r
y
y j
r xi yj zk
j k 式中 i 、 、 分别为x、y、z
xA xB xB x A
yB y A
o
x
经过时间间隔 t 后, 质点位置矢量发生变化, 由 始点 A 指向终点 B 的有向线段 AB 称为点 A 到 B 的 位移矢量 r . 位移矢量也简称位移.
t0
0 2 4
t 2s 4
2
t 2s
x/m
6
-6 -4 -2
例3 如图所示, A、B 两物体由一长为 l 的刚性 细杆相连, A、B 两物体可在光滑轨道上滑行.如物体 A以恒定的速率 v 向左滑行, 当 60 时, 物体B的 速率为多少？ 解 建立坐标系如图, 物体A 的速度
1. 5 arctan 56.3 1
（2） 运动方程
x(t ) (1m s )t 2m
y(t ) ( m s )t 2m
1 4 2 2
1
由运动方程消去参数
1 -1 2 y ( m ) x x 3m 4
轨迹图
t 4s
6
t 可得轨迹方程为
y/m
三、位置变化的快慢——速度
速度是描写质点位置变化快慢和方向的物理量，是矢量。
速率是描写质点运动路程随时间变化快慢的物理量，是标量。 1 平均速度 在t 时间内, 质点从点 A 运动到点 B, 其位移为
B
y
r r (t t) r (t)
r (t t)
s r
质点是经过科学抽象而形成的理想化的物理模 型 . 目的是为了突出研究对象的主要性质 , 暂不考 虑一些次要的因素 .
二、位置矢量、运动方程、位移
1 位置矢量
确定质点P某一时刻在 坐标系里的位置的物理量称 . 位置矢量, 简称位矢 r
y
y j
r xi yj zk
j k 式中 i 、 、 分别为x、y、z
xA xB xB x A
yB y A
o
x
经过时间间隔 t 后, 质点位置矢量发生变化, 由 始点 A 指向终点 B 的有向线段 AB 称为点 A 到 B 的 位移矢量 r . 位移矢量也简称位移.
大学物理第1章-质点运动学
x2 x1 x2 = l h
(h l)x2 = hx1
h l
解题思路 1. 写出几何长度关系 写出几何长度关系; 2. 确定变量 确定变量; 两边求导： 两边求导： 3. 写出求导关系式 写出求导关系式; 4. 明确求导物理意义 明确求导物理意义;
dx2 dx1 o x1 x2 x (h l) =h dt dt dx2 dx1 hv0 其中： =v , = v0 v = dt dt h l
瞬时速率： 瞬时速率：
s ds v = lim = t dt t →0
v r
B
一般情况： 一般情况： 当t→0时： → 时
v v r ≠ s 因此 v ≠ v
v v v r → dr = ds 则 v = v
1-2-4 加速度
加速度是反映速度变化的物理量 v t1时刻，质点速为 v1 时刻， v t2时刻，质点速度为 v2 时刻， t 时间内，速度增量为： 时间内，速度增量为：
大学物理学教案
第一章
质点运动学
机械运动
一个物体相对于另一个物体的空间位置 随时间发生变化； 随时间发生变化； 或一个物体的某一部分相 对于其另一部分的位置随时间而发生变化的 运动。 运动。
力学
研究物体机械运动及其规律的学科。 研究物体机械运动及其规律的学科。
运动学： 运动学：
研究物体在空间的位置随时间的变化规 律以及运动的轨道问题， 律以及运动的轨道问题，而并不涉及物体发 生机械运动的变化原因。 生机械运动的变化原因。
v tv ∫v dr = ∫ vdt
r0 t0
v0 v r
t0
匀加速运动
dv = adt ,
∫
v
v0
dv = ∫ adt
大学物理之质点运动学
矢量性：注意矢量和标量的区别。 相对性：对不同参照系有不同的描述。
3．运动学方程是运动学的核心，包含了运动的全部信息。
运动学的两类问题 运动方程是运动学问题的核心 1、已知运动方程，求质点任意时刻的位置、速度 以及加速度
r r t
dr v dt
2 dv d r a 2 dt dt
第一章 质点运动学 §1-1 质点、参考系 、坐标系
一、质点
1. 引入 质点的概念是考虑主要因素而忽略次要因素引入的一个理想 化的力学模型，使研究的问题得到简化。 2. 概念
质点是一个理想化的力学模型，当物体的大小和形状忽略不 计时，可以把物体当做只有质量没有形状和大小的点。 3.说明 一个物体能否当做质点，并不取决于它的实际大小，而是 取决于研究问题的性质。
大小：
方向：
2）相对性： 例如：坐在运动汽车中的人，选车厢为参考系，人位 移为零，但如选择地面为参考系位移不为零。 3）单位：米(m) 2.位移与路程的区别 位移是矢量：是指位置矢量的变化； 路程是标量：是指运动轨迹的长度。
思考：位移的大小什么时候与路程相等？
3. 区分：
三、速度（描述质点位置随时间变化的快慢和方向的物理量 ）
速度大小的变化率，其方向指向曲线的切线方向
切向加速度：
dv d s a e 2 e h dt dt
2
讨论
de dt
O
Δ
e t t
e e (t t ) - e (t )
当： t 0 , 0 有
e e
s
求：1、任意时刻 t 速度
2、切向加速度的大小
1-2-6 圆周运动及其角量描述
平面极坐标系
大学物理质点运动学总结
大学物理质点运动学总结质点运动学是物理学中的一个重要分支，研究物体在空间中的运动规律，对于理解物体的运动状态和运动规律具有重要意义。
在大学物理课程中，学习质点运动学是必不可少的一部分，下面我们来对大学物理质点运动学进行总结。
首先，我们要了解质点的基本概念。
质点是一个没有大小但有质量的物体，在运动学中，我们将物体视为质点来进行研究。
质点的运动状态可以用位置、速度和加速度来描述，这些是描述质点运动的基本物理量。
其次，我们要了解质点的运动规律。
根据牛顿运动定律，质点的运动状态受到力的影响，力是导致质点运动状态发生改变的原因。
根据牛顿第二定律，质点的加速度与作用在其上的合外力成正比，与质点的质量成反比。
这就是著名的F=ma公式，描述了质点的运动规律。
在质点运动学中，我们还需要了解匀速直线运动和变速直线运动。
在匀速直线运动中，质点在单位时间内位移相等，速度保持恒定；而在变速直线运动中，质点在单位时间内位移不等，速度不断发生变化。
这些运动规律对于我们理解质点的运动状态和运动规律具有重要意义。
此外，我们还需要了解曲线运动。
在曲线运动中，质点沿着曲线路径运动，速度和加速度的方向都会发生变化。
对于曲线运动，我们需要引入切线和法线的概念，以便更好地描述质点在曲线路径上的运动状态。
最后，我们需要了解相对运动。
在相对运动中，质点的运动状态是相对于其他物体或参考系来描述的。
相对运动涉及到相对速度和相对加速度的概念，通过这些概念，我们可以更好地描述质点在不同参考系下的运动状态。
总的来说，大学物理质点运动学是一个重要而复杂的学科，它涉及到质点的基本概念、运动规律、匀速直线运动、变速直线运动、曲线运动和相对运动等内容。
通过学习质点运动学，我们可以更好地理解物体的运动规律，为我们进一步学习和研究物理学奠定坚实的基础。
希望这篇总结对大家有所帮助，谢谢阅读！。
大学物理质点运动学总结
大学物理质点运动学总结一、引言在大学物理课程中，运动学是物理学的基础，它研究物体的运动状态和运动规律。
其中，质点运动学是运动学的一部分，主要研究质点的运动性质和运动规律。
下面将对大学物理质点运动学进行总结。
二、质点的运动描述1. 位置和位移质点在运动过程中，位置可以用空间直角坐标系或极坐标系来描述。
而位移是指物体从初始位置到最终位置的变化量，它是个矢量量，具有大小和方向。
2. 速度与速度的计算方法速度是指单位时间内位移的变化量，可以用瞬时速度和平均速度来描述。
瞬时速度是指某一瞬间的速度，可以通过求导位移对时间的导数得到。
平均速度是指物体在一段时间内总位移与总时间的比值。
3. 加速度与加速度的计算方法加速度是指单位时间内速度的变化量，也是个矢量量。
可以用瞬时加速度和平均加速度来描述。
瞬时加速度是指某一瞬间的加速度，可以通过求导速度对时间的导数得到。
平均加速度是指物体在一段时间内总速度变化与总时间的比值。
三、常见的运动规律1. 一维运动规律一维运动规律描述了在一条直线上运动的物体的运动规律。
其中最重要的是匀速直线运动规律和匀加速直线运动规律。
匀速直线运动规律指出，当物体在匀速直线运动时，其位移与时间成正比。
匀加速直线运动规律指出，在匀加速直线运动中，物体的位移与时间的关系是二次函数。
2. 斜抛运动规律斜抛运动是指物体沿着一个初速度方向在空中做抛体运动的一种情况。
在斜抛运动中，物体的水平速度保持恒定，垂直速度受到重力的作用而发生改变。
斜抛运动的水平运动和垂直运动可以分开来考虑，通过合成两个运动，可以得出物体的轨迹和运动规律。
3. 圆周运动规律圆周运动是指物体在半径相同的圆内以恒定速度做匀速圆周运动的一种情况。
在圆周运动中，质点的速度方向始终垂直于半径的方向，因此质点在圆周上的运动轨迹是一个圆。
圆周运动的相关公式可以由质点完成单位时间所走过的弧长与所需的时间的比值来推导。
四、运动学的应用1. 自由落体问题自由落体是指物体在无空气阻力情况下，在重力作用下自由垂直下落的一种运动。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
dr
dx
i
dy
j 3i 8tj (m/s)
dt dt dt
（3）由加速度的定义得
a
d
8 j (m/s2 )
dt
x
22
例2: 一质点沿半径为1 m的圆周运动，它通过的弧长 s按s＝t＋2t2的规律变化。问它在2 s末的速率、法向 加速度和切向加速度各是多少？
解 （1）由速率定义，有 ds 1 4t dt
小球的切向加速度量值 a，法向加速度量值an和轨道
的曲率半径 。
解：由图可知
a
g sin
gy
a g
gt
2 0
g 2t 2
g2t
02 g2t 2
an θ
x= 0
θ
a
y=gt
an
g cos
gx
g
an
g0 02 g2t 2
2
2 x
2 y
(02
g 2t 2 )3 / 2
an
an
g0
21
§1.4 运动学中的两类问题
r
Ｃ
Ｂ
r
r2
Ｏ
位置矢量的增量 ◆位矢增量的模 ◆位矢模的增量
r r2 r1 | r|| r2 r1 | r | r2 | | r1 |
位移在直角坐标系中的表示式
r
xi
yj
zk
9
路程 s t 时间内质点在空间内实际运行的路径距离。
注意
• s与 r的区别
s为标量, r为矢量
s r
d
s
dr
将t ＝2代入上式，得2 s末的速率为
＝1＋4×2＝9 (m·s-1)
（2）法向加速度的大小 （3）切向加速度的大小
an
2
R
＝81
m·s-2
a
d
dt
＝
4
m·s-2
二、已知加速度和初始条件，求速度和运动方程
a a(t) 初始条件 t = t 0， = 0
由 a d
dt
t
可得 d a(t)dt
0
t0
t
0
a(t)dt
t0
由 dx
dt
初始条件 t = t 0 ，x = x0
可得
x
t
dx (t)dt
x0
t0
t
x x0
(t)dt
t0
lim
r
dr
t0 t dt
lim s ds
t0 t
dt
dr ds
dt dt
0
在直角坐标系中
0
A
r1
r2
0
C
B
r3
O
dx dt
i
dy dt
j
dz dt
k
xi
y
j zk
即
x
dx dt
y
dy dt
练习:P17 1－(1) P18 1－(5)
z
dz dt
12
n0
0
n0 法向单位矢量
指向轨道的凹侧，并与切向单位矢量垂直。
0
16
P1
0
△
P2
B
A
△
n
D
C
a lim lim n
t t 0
t0
t
lim n lim
t0 t t0 t
t 0; lim
t0 t
lim t 0
0 0
0
t
d
dt
0
a
a
d
dt
0
切向加速度
切向加速度反映了速度
一、已知运动方程，求速度和加速度
dr
a
d
dt
例1：已知一质点的运动方程为
r＝d3tt
i－4t2
j
，式中
r以m
计，t以s计，求质点运动的轨道方程、速度和加速度。
解（1）将运动方程写成分量式
x＝3t，y＝－4t2
y
消去参变量t得轨道方程
4x2＋9y＝0
0
这是一条顶点在原点的抛物线。
（2）由速度定义得
大小的变化率 。
17
t 0;
n
n0
lim n
t0 t
lim t0 t
n0
an
an
d
dt
n0
an
d
ds
ds dt
n0
2
d
ds
n0
B
A
△ n
D
C
ds
△
d
k d
ds
1 ds k d
an
2
n0
法向加速度
法向加速度反映了速度 方向的变化率 。
18
加速度：
a
d
dt
0
2
n0
综上所述： •选择合适的参考系
以方便确定物体的运动性质； •建立恰当的坐标系
以定量地描述物体的运动； •提出较准确的物理模型
以确定所提问题最基本的运动规律。
6
§1-2 位矢、位移、速度及加速度
一、位置矢量
由坐标原点指向质点所在位置的矢量。
表示为 r
直角坐标系中
r
xi
yj
zk
r
0
z
大小：
t
(2) dx 10t 9t2
dt
2 16m/s
(3) a d 10 18t
dt
a2 26m/s 2
作业:P18 3－1.3.3
15
§1.3 曲线运动的描述
一、平面自然坐标中的描述
由曲线上各点的切线和法线所组成的一系列坐标
系称自然坐标系。
0 切向单位矢量
指向物体运动方向。
S
n0
o
A 0
r
x2 y2 z2
方向： cosα x , cos β y cosγ z
r
r
r
(x,y,z)
k
r
i 0
j
y
x
因为， cos2 α cos2 β cos2 γ 1
7
运动方程和轨道方程
◆质点在运动过程中，空间位置随时间变化的函
数式称为运动方程。
表示为： r r(t)
在直角坐标系中
r(t
)
x(t)i
y(t
)
j
z(t
)k
x x(t)
或
y y(t)
P5 例1－1
z z(t)
运动方程是时间t的显函数。
质点在空间所经过的路径称为轨道（轨迹）。
◆从运动方程中消去t，即可得到轨道方程。
轨道方程不是时间t显函数。
8
二、位 移 由起始位置指向终止位置的矢量，用 r表示 。
Ａ
r1
4
z (x,y,z)
k
r
j
i0
y
x
直角坐标系
z
P
r
y
x
球坐标系
e
er
P r
0
x
极坐标系
0
A
A nA
B B
nB
s>0
s<0
自然坐标系
5
四、物理模型
对真实的物理过程和对象，根据所讨论的问题的 基本要求对其进行理想化的简化，抽象为可以用数学 方法描述的理想模型。
质点： 具有质量而可忽略其形状和大小的几何点。
运动又是相对的: 运动的描述是相对其他物体而言的。
二、参考系
为描述物体的运动，被选作基准的物体或物体系 称为参考系 。
运动学中参考系可任选 常用的参考系：
▲ 太阳参考系
3
日心系
地心系
▲ 地心参考系 ▲ 地面参考系或实验室参考系
地面系
二、坐标系
为定量地描述物体的运动,须在参照系上选用一 个坐标系。
坐标系是参照系的数学抽象。
大小：
a
a2 an2
d
dt
2
2
2
方向：
a与 n0的夹角
tan 1
a an
练习:P18 2－(5) 练习:P18 3－1.3.2
19
二、圆周运动
在自然坐标系中 0
a
d
dt
0
2
R
n0
其中
a
d
dt
an
2
R
◆匀速圆周运动 ( =常数)
a 0
an
2
R
C
20
例: 以速度为0平抛一球，不计空气阻力，求t时刻
• r 与 r的区别
r为标量，r为矢量
r r
Ａ
r1(t )
s
Ｂ
r
Ｃ
r
r2(t t)
o
练习:P18 2－(1)
10
三、速 度
描述质点位置变化快慢和方向的物理量。
1.平均速度与平均速率
r
t
s
t
s r
x
i
y
j
z
k
t t t
A
r1
s
r r2
B
o
2.瞬时速度与瞬时速率
14
例:有一质点沿 x 轴作直线运动, t 时刻的坐标为 x = 5t2 - 3t3 (SI); 试求: (1)在第2秒内的平均速度; (2)第2秒末的瞬时速度； (3)第2秒末的加速度。
解: (1) x = (522 - 3 23)- (512 - 3 13)= -6(m)
t=1s
x 6m/s
四、加速度
描述质点速度变化快慢和方向的物理量。