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。

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:

v=ΔrΔt

瞬时速度:

v=limΔt0ΔrΔt=drdt

速度大小与速率相等,怎么证明?利用 limΔt0Δs=limΔt0|Δr|

直角坐标系

位矢

r=xi+yj+zk

经常考参数方程参数的消去,得到 x,y,z 满足的方程。

速度

v=dr dt=dx dti+dy dtj+dz dtkv=vxi+vyj+vzkvx=dx dt, etc. tAtBvx dt=tAtBdx dt dt=xAxB dx=xBxA

速率: v=|v|=vx2+vy2+vz2

代表对每个分量进行分析。

加速度

加速度的表达形式:

a=dvdt=d2rdt2

转换技巧(如果只考虑一维):

a=dvdxdxdt=dvdxv=d(12v2)dx

这样,知道 ax 的关系,也可以推出 v 的方程。例如:

跳水运动员自 10 m 跳台自由下落, 入水后因受水的阻碍而减速, 设加速度 a=kv2, k=0.4 m1. 求运动员速度减为入水速度 10% 时的入水深度.

解: 取坚直向下为 x 轴, a=kv2=dv dxdx dt=vdv dx, 所以 x=1klnv0v. 将 v=0.1v0 代入, 解得x=1kln10=5.76 m.

分离变量的做法:

axdx=vxdvx

积分得到

ax(x)=vx(x)=dxdt

继续积分,得到

dt=dxvx(x)

因此,可以得到 tx 的关系。

a=dv dt=dvx dti+dvy dtj+dvz dtk=d2x dt2i+d2y dt2j+d2z dt2k=axi+ayj+azkax=dvx dt=d2x dt2, etc. 

**自然坐标系

速度

考虑某一个点的运动,会出现切向 τ 和法向 n。切向指向某点的运动方向。

v=vτ=veτ

加速度

a=an+aτ

其中

an=v2ρρ=(1+y2)3/2|y|
aτ=dvdt

推导:

a=d(etv)dt=dvdtet+detdtv=dvdtet+vdθdten

注意两个单位向量之间的关系。detdt=dθdten

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 dθdt 是什么,因此需要进一步推导:

dθdt=dθdsdsdt

后面一项为速度,前一项只与曲线的形状有关。

定义 曲率

k=dθds=limΔt0ΔθΔs

定义 曲率半径

ρ=1k

推出,dθdt=dθdsdsdt=vρ

a=dvdtet+vdθdten=dvdtet+v2ρen

其中,

at=dvdt=d2sdt2

反应速度大小的变化,朝向切向。

an=v2ρ

反应速度方向的变化。

圆周运动(自然坐标系)

此时,曲率半径 ρ=R,得到,

a=Rβet+Rω2en
at=dvdt=d(Rω)dt=Rβ
an=v2ρ=Rω2

角速度、角加速度。

注意,at=0 不意味着加速度为 0,还要考虑 an。匀速圆周运动 β=0

**极坐标系

位置

er:径向单位矢量(沿着 r

eθ:横向单位矢量(和 r 垂直)

位置矢量的表示:

r=rerr=r(t)=r(t)er(t)

两个量都随着时间变化(两个自由度)

速度

v=d(err)dt=drdter+rdθdteθ

径向速度:

vr=drdt

横向速度:

vθ=rdθdt=rω

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加速度

er 径向方向。eθ 横向方向。

回顾:

v=drdter+rdθdteθ

第一项求导:

d2rdt2er+drdtderdt

derdt 代表径向方向的变化,得到:

derdt=dθdteθ

第二项求导:

drdtdθdteθ+rd2θdt2eθ+rdθdtdeθdt

deθdt 代表横向方向的变化,得到:

deθdt=dθdter

而方向相反,因为是指向中心的。

因此:

ar=d2rdt2r(dθdt)2=r¨rω2
aθ=rd2θdt2+2drdtdθdt=rθ¨+2r˙ω

运动方程与轨道

r=r(t)r(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k

分量形式:

{x=x(t)y=y(t)z=z(t)

消掉时间参量,如

{x=rcosωty=rsinωt

得到

x2+y2=r2

得到了运动的轨道(方程)

位移

Δr=rBrAΔr=Δxi+Δyj+Δzk

位移具有 矢量叠加性质

位移与路程 Δs 不同。

AB^ds=AB^|dr|AB^dr=rBrA=ΔrAB^dr=AB^d|r|=|rB||rA|=Δr
  1. 表现了 Δs|Δr| 只有当 Δt0 时。

  2. 矢量首尾相连。

  3. 路程的变化量相加。Δr=|rB||rA|

在实际算路程的过程中,利用 (1) 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 x 轴做直线运动, t 时刻的坐标为 x=4.5t22t3. 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 v¯=x(t=2)x(t=1)Δt=22.51=0.5 m/s. (2) 第 2 秒末的瞬时速度 v=dx dt|t=2=(9t6t2)|t=2=6 m/s. (3) 当速度为 0 时, 即 9t6t2=0, 解得 t1=0 s,t2=1.5 s, 以 1.5 s 作为分段点, 路程 s=|x(t=1.5)x(t=1)|+|x(t=1.5)x(t=2)|=|27852|+|2782|=2.25 m.

相对运动

是对位置矢量描述的相对性。

r=r+R

其中 R 是从 S 坐标系原点到 S 坐标系原点的位置矢量。即 S 原点在 S 坐标系中的位置矢量。是空间测量的绝对性。

但是在 S 坐标系和 S 坐标系中的测量可能不一样,例如时间、空间。设 S 时间是 t。如果能够保证 Δt=Δt

dt=ΔtΔt0drdt=dRdt+drdt=dRdt+drdtv=v+ua=a+dudt

u 牵连速度,du/dt 牵连加速度。绝对=相对+牵连。

{x=x+uty=yz=zt=t

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

  1. 套公式、求导。明确每个物理量的含义。

  2. 用相对牵连关系或者运动的合成分解。

加速度、速度的求法

r=r0+t0tvdt
v=v0+t0tadt

初值问题。

路程的求法

本质上是高数的曲线求和。

s0sds=s0s(dx)2+(dy)2=s0s1+(dxdy)2dy

image-20230228141202463

速度:

几何关系:

l2=h2+s2

对时间进行求导,得

2dldtl=2dsdts

由于 v=ds/dt,v0=dl/dt,可以发现

v0l=vs,v=lsv0

也可以将 v 分解为沿绳方向和垂直绳方向。得到 vcosθ=v0,v=v0cosθ

加速度:

可以使用第一个表达式:

a=dvdt=v0(sdlldss2dt)=v0(1sv0+ls2v)=v0(1sv0+l2s3v0)=v02h2s3

也可以使用带角度的表达式:

a=v0d1cosθdt=v01cos2θ(sinθ)dθdt

切向速度为 vsinθ,半径为 ldθdt 可以使用 vsinθ/l 计算,因此:

a=v02h2s3

用相对运动的观点

v=vr+vθ

得到

vcosθ=vrv=vrcosθ=v0cosθ=lv0s
a=ar+aθ
ar=r¨rω2=0r(vθl)2=h2s2l
acosθ=ara=arcosθ=v02h2s3

一质点在平面直角坐标系内运动,在位置 (x,y) 处的速度 v=vxi+vyj,加速度 a=axi+ayj

v2=vx2+vy2

ataxi 在其方向上的投影与 ayj 在其方向上的投影之和。

|at|=axvxv+ayvyv

a2=at2+an2=ax2+ay2(选取的坐标系不同)

得到

|an|=|axvyayvxv|

事实上:

[atan]=[cosθsinθsinθcosθ][axay]

其中 θ 代表 x 方向与 t 方向的夹角,代表旋转 θ 角度,改变坐标系。


已知运动方程

{x=2ty=62t2

an,at

利用好

{at=dvdtan=v2ρat2+an2=a2
v=drdt=2i4tj

得到

v=|v|=21+4t2

得到

|at|=8t1+4t2

为了避免求 ρ,我们采用第三个公式。

a=dvdt=4j

推出

|an|=41+4t2

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T=6s,R=3m 走完一周,t=0 时质点在 O 处,t=2s 时?

ω=2πT=π3
r=(0,3)+3(sinωt,cosωt)
drdt|t=2s=3ω(cosωt,sinωt)v=(π2,3π2)
dvdt=3ω2(sinωt,cosωt)
dvdt=0

匀速圆周运动。

ABdr=rBrA
ABd|r|=|rB||rA|
AB|dr|=sAB

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半径为 R 的圆固定在竖直平面内,水平直棒 AB 位于同一平面,从固定圆的最高点 O 由静止开始自由下落,如图所示。求:当直棒 AB下 落到离圆心 O 距离为 R/2 时,直棒与此圆交点 P 的速率、切向加速度分量和法向加速度分量。

P 是一个几何点而不是质点,轨迹在圆周上运动。

当距离 R/2

vPy=2gh=2gR2=gR

P 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 vPy,因此。

vpcosθ=vPy

得到

vp=vPycosθ=2gR/3

法向加速度使用切向速度和半径计算:

an=vP2R=4g3

根据线性代数的观点,为了计算 at,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。

ay=gax 未知,但是没有关系,我们已经可以通过投影的方式解出 at

ansinθ+atcosθ=g

得到

at=gansinθcosθ=239g

asin(R0.5gt2R)

gt1(R0.5gt2)2R2

1.0Rg1.0R0.25gt2

0.25g2t2gt2(1.0R0.25gt2)R2(1.0R0.25gt2)


一质点以初速 v0在与水平成仰角 θ0 角的方向被抛出,忽略空气阻力,求质点在时刻 t 的切向和法向加速度及曲率半径 ρ

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g2t22gtv0sin(θ0)+v02

gv0cos(θ0)g2t22gtv0sin(θ0)+v02

g(gtv0sin(θ0))2g2t22gtv0sin(θ0)+v02

(g2t22gtv0sin(θ0)+v02)32gv0cos(θ0)


设某一质点以初速度 v0=100i (ms1) 做直线运动,其加速度为 a=10vi (ms1)。 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 vt 的关系,积分得到运动路程。

第二种方法,得到 vs 的关系,直接得到路程:

a=dvdt=dvdsdsdt=10v0sds=1101000dv