理论物理 第五章——点和引言2010.ppt

第二篇运动学 第5章点的运动 5 1描述点运动的变矢量法 5 2描述点运动的直角坐标法 5 3描述点运动的弧坐标法 第5章点的运动 运动方程 点在空间的位置表达为时间的函数 速度 点运动的快慢 加速度 速度的变化 5 1描述点运动的变矢量法 第5章点的运动 5 1描述点运动的变矢量法 运动方程 运动方程 变矢量法中 运动方程用点在任意瞬时t的位置矢量r t 表示 r t 简称为位矢 r r t 5 1描述点运动的变矢量法 速度 t瞬时 矢径r t r t r t t r t 点在t瞬时的速度 t时间间隔内矢径的改变量 t t瞬时 矢径r t t 或r t r t 5 1描述点运动的变矢量法 速度 速度 描述点在t瞬时运动快慢和运动方向 速度的方向沿着运动轨迹的切线 指向与点的运动方向一致 速度大小等于矢量的模 速度的单位一般为M S 5 1描述点运动的变矢量法 加速度 v t v t t v t 点在t瞬时的加速度 t时间间隔内速度的改变量 t t瞬时 速度v t t 或v t v t 加速度 描述点在t瞬时速度大小和方向的变化率 5 1描述点运动的变矢量法 加速度 加速度的方向为 v的极限方向 即沿速度矢端曲线的切向 加速度大小等于矢量a的模 加速度的单位一般为M S2 5 2描述点运动的直角坐标法 第5章点的运动 x f1 t y f2 t z f3 t 运动方程 5 2描述点运动的直角坐标法 5 2描述点运动的直角坐标法 运动方程 点在空间的位置由3个方程确定 x f1 t y f2 t z f3 t 速度 Oxyz 为定参考系 5 2描述点运动的直角坐标法 速度 5 2描述点运动的直角坐标法 速度 点的速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的相应坐标对时间的一阶导数 cos vx vcos vy vcos vz v 5 2描述点运动的直角坐标法 加速度 点的加速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的相应坐标对时间的二阶导数 cos ax acos ay acos az a 5 2描述点运动的直角坐标法 描述点运动的直角坐标法 例题1 椭圆规机构 求 P点的运动方程 速度 加速度 例题1 椭圆规机构 OA AB AC L BP d 求 P点的运动方程 速度 加速度 1 建立固定参考系Oxy 2 将所考察的点置于坐标系中的一般位置 3 根据已知的约束条件列写点的运动方程 5 2描述点运动的直角坐标法 1 建立固定参考系Oxy 2 将所考察的点置于坐标系中的一般位置 3 根据已知的约束条件列写点的运动方程 P点的运动方程 从中消去t得到P点的轨迹方程 解 5 2描述点运动的直角坐标法 例题1 P点的运动方程 P点的速度 解 cos vx vcos vy vcos vz v 5 2描述点运动的直角坐标法 例题1 P点的速度 P点的加速度 解 cos ax acos ay acos az a 5 2描述点运动的直角坐标法 例题1 几点讨论 1 建立运动方程时 一定要将所考察的点置于坐标系中的一般位置 对于直线坐标 位于坐标轴的正向 对于直角坐标系 位于坐标系的第一象限 5 2描述点运动的直角坐标法 例题1 描述点运动的直角坐标法 几点讨论 2 关于P点运动的性质 何时作加速运动 何时作减速运动 a 0 P加速运动吗 a 0 P减速运动吗 请同学们自己给结论 例题1 5 3描述点运动的弧坐标法 第5章点的运动 弧坐标要素与运动方程 密切面与自然轴系 速度 加速度 弧坐标要素与运动方程 如果点沿着已知的轨迹运动 则点的运动方程 可用点在已知轨迹上所走过的弧长随时间变化的规律描述 弧坐标具有以下要素 1 有坐标原点 一般在轨迹上任选一参考点作为坐标原点 2 有正 负方向 一般以点的运动方向作为正向 3 有相应的坐标系 自然轴系 5 3描述点运动的弧坐标法 密切面与自然轴系 5 3描述点运动的弧坐标法 密切面与自然轴系 密切面 当P 点无限接近于P点时 过这两点的切线所组成的平面 称为P点的密切面 5 3描述点运动的弧坐标法 密切面与自然轴系 由密切面得到的几点结论 空间曲线上的任意点都存在密切面 而且是唯一的 空间曲线上的任意点无穷小邻域内的一段弧长 可以看作是位于密切面内的平面曲线 曲线在密切面内的弯曲程度 称为曲线的曲率 用1 表示 曲线在垂直于密切面的平面内的曲率 称为第二曲率 5 3描述点运动的弧坐标法 密切面与自然轴系 s s 自然轴系 自然轴系P TNB P 空间曲线上的动点 T 过动点P的密切面内的切线 其正向指向弧坐标正向 N 密切面内垂直于切线的直线 其正向指向曲率中心 n B 过动点P垂直于切线和主法线的直线 其正向由b n确定 5 3描述点运动的弧坐标法 密切面与自然轴系 自然轴系 自然轴系的基矢量b n 直角坐标系的基矢量k i j 5 3描述点运动的弧坐标法 密切面与自然轴系 自然轴系 自然轴系的特点 自然轴系跟随动点在轨迹曲线上运动 自然轴系能作运动参考系吗 5 3描述点运动的弧坐标法 速度 5 3描述点运动的弧坐标法 描述点运动的弧坐标法 速度 弧坐标中的速度表示 其中 所以 的方向与P点的切线方向一致 而 描述点运动的弧坐标法 速度 弧坐标中的速度表示 描述点运动的弧坐标法 速度 弧坐标中的速度表示 点的速度只在切线轴上有投影 其等于弧坐标对时间的一阶导数 描述点运动的弧坐标法 速度 几点讨论 速度矢量位于密切面内 描述点运动的弧坐标法 加速度 描述点运动的弧坐标法 加速度 根据加速度的定义以及弧坐标中速度的表达式 弧坐标中的加速度表示 描述点运动的弧坐标法 加速度 弧坐标中的加速度表示 描述点运动的弧坐标法 加速度 弧坐标中的加速度表示 当 0时 和 以及 同处于P点的密切面内 这时 的极限方向垂直于 亦即n方向 描述点运动的弧坐标法 加速度 弧坐标中的加速度表示 描述点运动的弧坐标法 加速度 弧坐标中的加速度表示 描述点运动的弧坐标法 加速度 弧坐标中的加速度表示 加速度表示为自然轴系投影形式 切向加速度 沿切线方向 法向加速度 沿半径指向曲率中心 描述点运动的弧坐标法 加速度 描述点运动的弧坐标法 加速度 几点讨论 切向加速度a 表示速度矢量大小的变化率 直线运动 an 0 描述点运动的弧坐标法 加速度 几点讨论 ab 0 表明加速度a在副法线方向没有分量 加速度矢量a位于密切面内 匀速圆周运动 a 0 切向加速度a 表示速度矢量大小的变化率 法向加速度an表示速度矢量方向的变化率 第5章点的运动 已知 滑槽半径R OA 0 1m 8sin2 t 单位为S rad 求 1 B点的运动方程2 t1 1 4s t2 1s时的aB 解 轨迹已知 定O 点为弧坐标原点 B点的运动方程为 S R 2 40sin2 t m 例题2 第5章点的运动 求 1 B点的运动方程2 t1 1 4s t2 1s时的aB 解 S R 2 40sin2 t m v 2 20cos2 t m s a 3 10sin2 t m s2 t1 1 4s时 45 an v2 R 4 40cos22 t m s2 v 0 a 3 10 m s2 an 0 例题2 第5章点的运动 求 2 t1 1 4s t2 1s时的aB 解 v 2 20cos2 t m s a 3 10sin2 t m s2 t1 1s时 0 an v2 R 4 40cos22 t m s2 v 2 20 m s an 4 40 m s2 a 0 例题2 第5章点的运动 例题3 已知 一点在xoy平面内以不变的加速度a运动 a 2m s2 方向与x轴平行 初瞬时点的速度为v0 2m s 方向与y轴夹角 30 求 t 1s时 该点轨迹的曲率半径 思路 a积分求v 与v和an相关 a与a 求an a 第5章点的运动 例题3 已知 一点在xoy平面内以不变的加速度a运动 a 2m s2 方向与x轴平行 初瞬时点的速度为v0 2m s 方向与y轴夹角 30 求 t 1s时 该点轨迹的曲率半径 解 积分求vx vy v 对v微分求a 结论与讨论 第5章点的运动 结论与讨论 描述点运动的三种方法比较 变矢量法 结果简明 具有概括性 一般用于推导 直角坐标法 实际问题中 一种广泛应用的方法 弧坐标法 应用于运动轨迹已知的情形 使速度与加速度矢量大小的变化率和方向变化率区分开来 物理意义更加清晰 结论与讨论 运动量在直角坐标中与在自然轴坐标中的关系 v a 结论与讨论 点的运动学应用的两类问题 第一类问题 微分运算 已知运动规律 确定速度与加速度 第二类问题 积分运算 已知加速度以及运动的初始条件 确定速度和运动规律 第一类问题的反运算 结论与讨论 速度 加速度的标量表示与矢量表示的重要区别 速度大小 速度方向 结论与讨论 速度 加速度的标量表示与矢量表示的重要区别 速度大小的变化率 速度方向的变化率 结论与讨论 点的匀变速 匀速运动公式 匀变速 a 常量 v v0 a t S s0 v0t 1 2 a t2 匀速 v 常量 a 0 S s0 vt 结论与讨论 点以不变的加速度a沿任意曲线运动 请判断点的运动性质 A 点在做匀变速运动 C 点运动性质不可判断 D 点在做变速运动 B 点在做匀速运动 结论与讨论 点沿着一螺旋线自外向内运动 点所走过的弧长与时间的一次方成正比 请判断点的运动性质 A 越跑越快 C 加速度越来越大 D 加速度越来越小 B