基本概念
参考系
用来描述物体运动而选作参考的物体、或相对静止的物体系。运动的相对性决定描述物体运动必须选取参考系。
坐标系
坐标系为参考系的数学抽象。由固结在参考系上的一组有刻度的射线、曲线或角度表示。坐标系可任选,以描述方便为原则。
直角坐标系
球坐标系
柱坐标系
自然坐标系
质点位置、速度、加速度的描述
质点:物体的大小、形状可以忽略;运动过程中,物体的各部分运动相同。
平均速度:
瞬时速度:
速度大小与速率相等,怎么证明?利用 。
直角坐标系
位矢
经常考参数方程参数的消去,得到 满足的方程。
速度
速率:
代表对每个分量进行分析。
加速度
加速度的表达形式:
转换技巧(如果只考虑一维):
这样,知道 和 的关系,也可以推出 的方程。例如:
跳水运动员自 跳台自由下落, 入水后因受水的阻碍而减速, 设加速度 , . 求运动员速度减为入水速度 时的入水深度.
解: 取坚直向下为 轴, , 所以 . 将 代入, 解得.
分离变量的做法:
积分得到
继续积分,得到
因此,可以得到 与 的关系。
**自然坐标系
速度
考虑某一个点的运动,会出现切向 和法向 。切向指向某点的运动方向。
加速度
其中
推导:
注意两个单位向量之间的关系。。
对后面一项进一步变形,很多情况,曲线运动的时候我们不知道角速度 是什么,因此需要进一步推导:
后面一项为速度,前一项只与曲线的形状有关。
定义 曲率:
定义 曲率半径:
推出,,
其中,
反应速度大小的变化,朝向切向。
反应速度方向的变化。
圆周运动(自然坐标系)
此时,曲率半径 ,得到,
角速度、角加速度。
注意, 不意味着加速度为 ,还要考虑 。匀速圆周运动 。
**极坐标系
位置
:径向单位矢量(沿着 )
:横向单位矢量(和 垂直)
位置矢量的表示:
两个量都随着时间变化(两个自由度)
速度
径向速度:
横向速度:

加速度
径向方向。 横向方向。
回顾:
第一项求导:
而 代表径向方向的变化,得到:
第二项求导:
而 代表横向方向的变化,得到:
而方向相反,因为是指向中心的。
因此:
运动方程与轨道
分量形式:
消掉时间参量,如
得到
得到了运动的轨道(方程)
位移
位移具有 矢量叠加性质。
位移与路程 不同。
位移为矢量,路程为标量
只有当 时。
表现了 只有当 时。
矢量首尾相连。
路程的变化量相加。
在实际算路程的过程中,利用 式,我们分别计算位移朝向相同的部分,以速度为 0 的点为分段点,取绝对值加起来即为路程。例如:
有一质点沿 轴做直线运动, 时刻的坐标为 . 试求:
(1) 第 2 秒内的平均速度;
(2) 第 2 秒末的瞬时速度;
(3) 第 2 秒内的路程.
解:
(1) 平均速度 .
(2) 第 2 秒末的瞬时速度 .
(3) 当速度为 0 时, 即 , 解得 , 以 作为分段点, 路程 .
相对运动
是对位置矢量描述的相对性。
其中 是从 坐标系原点到 坐标系原点的位置矢量。即 原点在 坐标系中的位置矢量。是空间测量的绝对性。
但是在 坐标系和 坐标系中的测量可能不一样,例如时间、空间。设 时间是 。如果能够保证
牵连速度, 牵连加速度。绝对=相对+牵连。
参考系的转动
综合例题
描述质点运动的物理量有位矢、位移、速度和加速度等,而质点在某时刻的运动状态主要由位置和速度所确定,因此通常所说质点运动状态指的是它的位矢和速度确定的状况。
常见的解题方法
套公式、求导。明确每个物理量的含义。
用相对牵连关系或者运动的合成分解。
加速度、速度的求法
初值问题。
路程的求法
本质上是高数的曲线求和。

速度:
几何关系:
对时间进行求导,得
由于 ,可以发现
也可以将 分解为沿绳方向和垂直绳方向。得到 。
加速度:
可以使用第一个表达式:
也可以使用带角度的表达式:
切向速度为 ,半径为 , 可以使用 计算,因此:
用相对运动的观点。
得到
一质点在平面直角坐标系内运动,在位置 处的速度 ,加速度 。
为 在其方向上的投影与 在其方向上的投影之和。
由 (选取的坐标系不同)
得到
事实上:
其中 代表 方向与 方向的夹角,代表旋转 角度,改变坐标系。
已知运动方程
求 。
利用好
得到
得到
为了避免求 ,我们采用第三个公式。
推出

走完一周, 时质点在 处, 时?
匀速圆周运动。

半径为 的圆固定在竖直平面内,水平直棒 位于同一平面,从固定圆的最高点 由静止开始自由下落,如图所示。求:当直棒 下 落到离圆心 距离为 时,直棒与此圆交点 的速率、切向加速度分量和法向加速度分量。
是一个几何点而不是质点,轨迹在圆周上运动。
当距离 时
的速度可以分解为垂直于杆方向和沿杆方向,而垂直于杆方向就是 ,因此。
得到
法向加速度使用切向速度和半径计算:
根据线性代数的观点,为了计算 ,我们既可以运用两者模长平方的关系,也可以利用某个分量上的关系。
, 未知,但是没有关系,我们已经可以通过投影的方式解出 。
得到
一质点以初速 在与水平成仰角 角的方向被抛出,忽略空气阻力,求质点在时刻 的切向和法向加速度及曲率半径 。

设某一质点以初速度 做直线运动,其加速度为 。 问:质点在停止运动之前运动的路程有多长?
第一种方法,得到 与 的关系,积分得到运动路程。
第二种方法,得到 与 的关系,直接得到路程: