《物理学教学课件》1运动的描述.ppt

《《物理学教学课件》1运动的描述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《物理学教学课件》1运动的描述.ppt（63页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、绪论绪论 物理学的作用和地位物理学的作用和地位 进入科学技术的任何一个领域，都必须进入科学技术的任何一个领域，都必须敲开物理学的大门。敲开物理学的大门。物理学是一切自然科学的基础和核心，物理学是一切自然科学的基础和核心，是培养科学素质和科学方法的最重要和必不是培养科学素质和科学方法的最重要和必不可少的途径。可少的途径。物理学是自然科学的发展平台物理学是自然科学的发展平台,物理学物理学的理论和方法能使你有极强的适应能力和创的理论和方法能使你有极强的适应能力和创新精神；使你在科学、技术工作乃至生活中新精神；使你在科学、技术工作乃至生活中受益无穷。受益无穷。大学物理教学主要内容：大学物理教学主要内容

2、：1、经典物理学经典物理学 2、近代物理学近代物理学 经典经典 重在方法重在方法 近代近代 重在思想重在思想 物理学是研究物质基本结构、相互作用和运动形物理学是研究物质基本结构、相互作用和运动形态的基本规律的科学态的基本规律的科学.物理学物理学 (Physics)质子质子 10-15 m空间尺度：空间尺度：物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动规律物质运动规律微观粒子微观粒子宏观物质宏观物质宇观物质宇观物质类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 10-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018 s 物理世界物理世界E-15E-12E-09E-06E-0

3、31mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小最小 的的细胞细胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNA长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离星的距离太阳系太阳系太阳太阳山山哈勃半径哈勃半径超星系团超星系团人人蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次物理学的层次物理学的层次 相对强度相对强度相对强度相对强度 1 10 1 10-2 -2 1010-12 -12 1010-40-40作用范围作用范围作用范围作用范围 1010-15-15 长长长长 10 10-17 -17 长长长长固态固态液态液态气态气态

4、物质的基本形态物质的基本形态等离子等离子态态引力相互作用引力相互作用电磁相互作用电磁相互作用强相互作用强相互作用弱相互作用弱相互作用物质的基本形态和相互作用物质的基本形态和相互作用基本作用基本作用物理学的发展物理学的发展实验实验物理物理理论理论物理物理计算计算物理物理今日物理学今日物理学l 物理学是一切自然科学的基础物理学是一切自然科学的基础粒粒子子物物理理学学原原子子核核物物理理学学原原子子分分子子物物理理学学固固体体物物理理学学凝凝聚聚态态物物理理学学激激光光物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学地地球球物物理理学学生生物物物物理理学学天天体体物物理理学学l 物理学派生出来的分支及交叉学

5、科物理学派生出来的分支及交叉学科让我们一起努力让我们一起努力 学好物理学学好物理学！第第 1 章章 运动的描述运动的描述 本本章章首首先先借借助助矢矢量量语语言言对对质质点点的的运运动动给给予予简洁而完备的描述，简洁而完备的描述，然后然后利用微积分求解质点的运动学方程；利用微积分求解质点的运动学方程；最终最终解决运动学中的两类问题。解决运动学中的两类问题。1-1质点 参考系 运动方程 一、质点一、质点 只有质量而没有形状和大小的抽象的物只有质量而没有形状和大小的抽象的物理点，它保留了物体的两个主要特征：物体理点，它保留了物体的两个主要特征：物体的质量和在空间的位置。的质量和在空间的位置。一个物

6、体是否能当成一个物体是否能当成质质点，关点，关键键并不在于并不在于物体的大小，而在于所研究物体的大小，而在于所研究问题问题的的问题问题是否是否确确实实与物体的大小形状无关。与物体的大小形状无关。物体大小和形状的变化对其运动物体大小和形状的变化对其运动的影响可忽略时的理想模型。的影响可忽略时的理想模型。质点：质点：物体能否抽象为质点，视具体情况而定。物体能否抽象为质点，视具体情况而定。地地日间距：日间距：1.5 108 km地球半径：地球半径：6.37 103 km太阳太阳地球地球二、参考系二、参考系 坐标系坐标系古希腊哲学家克拉底鲁：古希腊哲学家克拉底鲁：“人不能同一次踏进同一条河流人不能同一

7、次踏进同一条河流”古希腊哲学家赫拉克利特：古希腊哲学家赫拉克利特：“人不能人不能两次两次踏进同一条河踏进同一条河”运动（变化）是绝对的；运动（变化）是绝对的；运动是绝对的；但承认相对静止。运动是绝对的；但承认相对静止。运运动动是是绝对绝对的，是物的，是物质质的存在形式。但的存在形式。但对对一定物体的运一定物体的运动动情况的描述情况的描述则则具有相具有相对对性。性。坐标系：坐标系：地量化的参照系。地量化的参照系。参考系：参考系：为描述物体运动而选作基准物体。为描述物体运动而选作基准物体。1.1.直角坐标系直角坐标系 2.自然坐标系自然坐标系 ：切向单位矢量，指向物体运动方向。：切向单位矢量，指向

8、物体运动方向。：法向单位矢量，：法向单位矢量，指向轨道的凹侧。指向轨道的凹侧。沿着质点运动轨道建立的沿着质点运动轨道建立的坐标系，坐标系，用用轨道轨道切切向和法向的向和法向的单单位矢量作位矢量作为为其独立的坐其独立的坐标标方向。方向。曲率半径：曲率半径：曲率：曲率：切向单位矢量的时间变化率？切向单位矢量的时间变化率？法向单位矢量法向单位矢量*大小：大小：方向：方向：1.位置矢量位置矢量三、三、运运动动方程方程分量式分量式 从上式中消从上式中消去参数去参数 得质点得质点的的轨迹方程轨迹方程2.运动方程与轨道方程运动方程与轨道方程P 从上式中消去参数从上式中消去参数 得质点的得质点的轨迹方程轨迹方

9、程例例.某某质质点的运点的运动动方程方程为为：分量式为分量式为在在 的平面内，作半径为的平面内，作半径为3 3米的圆周运动。米的圆周运动。一、位移一、位移与路程与路程 平面平面运动运动:BA三维三维运动运动:1-2 位移 速度 加速度 路程路程()从从P1到到P2：路程路程(3)位移是位移是矢量，矢量，路程是路程是标量标量位移与路程的区别位移与路程的区别(1)两点间位移是唯一的两点间位移是唯一的(2)一般情况一般情况 注意注意的意义不同的意义不同，二、速度与速率二、速度与速率 1.平均速度平均速度 在在 时间内，质点时间内，质点位移为位移为BAsD2.瞬时速度（简称速度）瞬时速度（简称速度）若

10、质点在若质点在三维三维空间中运动，其速度空间中运动，其速度3.平均速率与速率平均速率与速率速度大小速率速度大小速率当当 时时,讨论讨论平均速度大小平均速度大小不等于不等于平均速率平均速率 4.4.自然角坐标下的速度自然角坐标下的速度 在自然坐在自然坐标标系下，同系下，同时时用大小和方向来用大小和方向来表示速度矢量。表示速度矢量。课堂练习课堂练习1 1、质点作曲线运动，判断下列说法的正误。质点作曲线运动，判断下列说法的正误。2、一运动质点在某瞬一运动质点在某瞬时位于位矢时位于位矢 的的端点处，其速度大小为端点处，其速度大小为（A）（B）（C）（D）注意注意 平均加速度平均加速度B与与 同方向同方

11、向 反映速度反映速度大小大小和和方向方向随时间变化快慢随时间变化快慢的物理量的物理量1.平均加速度与加速度平均加速度与加速度A三、加速度三、加速度加速度大小加速度大小加速度大小加速度大小质点作三维运动时加速度为质点作三维运动时加速度为(瞬时瞬时)加速度加速度直角坐标下直角坐标下2.2.自然角坐标下的加速度自然角坐标下的加速度切向单位矢量的时间变化率？切向单位矢量的时间变化率？法向单位矢量法向单位矢量切向加速度切向加速度(速度速度大小变化大小变化)法向加速度法向加速度(速度速度方向变化方向变化)求导求导求导求导积分积分积分积分四、四、质点运动学两类基本问题质点运动学两类基本问题 1）由质点的运动

12、方程可以求得质点在任）由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的位矢、速度和加速度；一时刻的位矢、速度和加速度；2）已知质点的加速度以及初始速度和初始）已知质点的加速度以及初始速度和初始位置位置,可求质点速度及其运动方程可求质点速度及其运动方程第一类问题第一类问题已知运动学方程，求已知运动学方程，求求（求（1）质点的轨迹；质点的轨迹；（3）t=1s 时时切向加和法向加速度大小。切向加和法向加速度大小。解解例例1：已知一质点运动方程已知一质点运动方程（2）从从t=0 到到 t=1s 的位移大小及方向；的位移大小及方向；（1）由）由 可知可知消去消去t 得得轨轨迹方程迹方程（2）其大小为其大小为方向

13、为方向为（3）由由 得得速度大小速度大小为为 故故又又所以所以 解解：以船到岸的距离为以船到岸的距离为 x 轴，岸高为轴，岸高为 y 轴建轴建立坐标，立坐标，如图所示。如图所示。例例2:以恒定的速率以恒定的速率 拉动纤绳拉动纤绳,绞车定滑绞车定滑轮离水面的高度为轮离水面的高度为h,求小船向岸边移动的速求小船向岸边移动的速度。度。任意时刻小船到岸边的距离任意时刻小船到岸边的距离x满足满足 两边对时间两边对时间t 求导数求导数,得得 显然显然 就是小船在水平方向的速度分量。就是小船在水平方向的速度分量。即即 负号表示沿负号表示沿x 轴负方向轴负方向。为拉动纤绳的速率为拉动纤绳的速率,由于纤绳在缩短

14、由于纤绳在缩短,因此因此 代入代入 得得 ABl 课堂练习课堂练习：如图如图A、B 两物体由一长为两物体由一长为 的的刚性细杆相连，刚性细杆相连，A、B 两物体可在光滑轨道两物体可在光滑轨道上滑行如物体上滑行如物体 A以以恒定的速率恒定的速率 向左滑向左滑行行,当当 时时,物物体体B的速率为多少？的速率为多少？解解两边求导得两边求导得ABl 沿沿 轴正向轴正向当当 时，时，1.73=Bvv 解解：质点的速度大小质点的速度大小 例例3:质点沿半径点沿半径为 的的圆周按周按 的的规律运律运动，式中，式中s为质点离点离圆周上某点的弧周上某点的弧长,、b 都是常量，求都是常量，求质点在任意点在任意时刻

15、的刻的速度和加速度速度和加速度切向加速度大小切向加速度大小加速度大小加速度大小 法向加速度大小法向加速度大小加速度与半径的加速度与半径的夹夹角角 两边积分两边积分有有得得用分量表示为用分量表示为第二类问题第二类问题 已知加速度和初始条件已知加速度和初始条件，求求由由两边积分两边积分同同样样由由有有得得用分量表示为用分量表示为解解 1）代入初始条件代入初始条件代入初始条件代入初始条件练习：练习：已知已知,t=0 时时，求：求：1）和和2）例例4已知一个已知一个质质点作直点作直线线运运动动，其加速，其加速度度为为 ，初始，初始时时刻刻质质点位于原点，初点位于原点，初速度速度为为零。零。试试求任意求

16、任意时时刻刻质质点的速度和位置。点的速度和位置。解：在直解：在直线线运中运中 即即 两边积分两边积分 将上式代入将上式代入 得得 即：即：得得 作作变换变换 例例5已知一个已知一个质质点作直点作直线线运运动动，其加速，其加速度度为为 ，若，若质质点在原点点在原点处处的速度大小的速度大小为为 ，试求求质点在任意坐点在任意坐标处的速度大小的速度大小解：解：按按题题意有意有 即即 分离分离变变量得量得 两两边积边积分分 积积分得分得 1-3 1-3 圆周运动及其描述圆周运动及其描述一、圆周运动的加速度一、圆周运动的加速度 平面曲线运动特例平面曲线运动特例圆周运动，其描述仍然圆周运动，其描述仍然可以采

17、用自然坐标系。考虑到曲率半径可以采用自然坐标系。考虑到曲率半径 ，质点作圆周运动的加速度为质点作圆周运动的加速度为 称切向加速度大小称切向加速度大小称法向加速度大小，称法向加速度大小，也称向心加速度大小。也称向心加速度大小。二、圆周运动的角量描述二、圆周运动的角量描述角坐标角坐标角位移角位移角速度角速度1.1.圆周运动的角参量圆周运动的角参量角加速度角加速度 反过来，对反过来，对 两边积分，并设两边积分，并设 时质点角位置在时质点角位置在 ，时刻在时刻在 ，则有角位置，则有角位置 同理同理，对，对 得得其中其中，为为 时的初始角速度大小时的初始角速度大小 若若 与时间无关，则与时间无关，则2.

18、角参量和线参量的关系角参量和线参量的关系ABRdsd 3.角速度矢量角速度矢量 角速度的方向由右手螺旋法角速度的方向由右手螺旋法则则确定确定。在一在一般空般空间转动时间转动时，线线速度与角速度的关系可以表速度与角速度的关系可以表示示为为其大小其大小 解：由解：由 分离分离变变量得量得 例例6.6.一飞轮受摩擦力矩作用作减速转动过程一飞轮受摩擦力矩作用作减速转动过程中，其角加速度与角位置的关系中，其角加速度与角位置的关系 ，式中，式中k为大于零的常量，且为大于零的常量，且 时，时，求，求:1.:1.角速度与角位置的函数关系；角速度与角位置的函数关系；2.2.最大角位移。最大角位移。两两边积边积分

19、分 得得 即即 2 2 最大角位移发生在最大角位移发生在 时，所以时，所以一坐标变换一坐标变换1-41-4相对运动问题相对运动问题S 系静止，系静止，系以速度系以速度 作匀速直线运动。作匀速直线运动。由矢量加法有由矢量加法有 反映了两个不同描述反映了两个不同描述之间位矢的关系，称坐标之间位矢的关系，称坐标变换变换。由坐标变换可得由坐标变换可得（位移变换）（位移变换）二速度变换二速度变换将坐标变换两边对时间求导，得将坐标变换两边对时间求导，得 即即称称为为速度速度变换变换式式 将速度变换两边对时间求导，得将速度变换两边对时间求导，得 即即称称为为加速度加速度变换变换式式 若若 ，则，则 当讨论处

20、于同一参照系内，不同质点间当讨论处于同一参照系内，不同质点间的相对运动的相对运动时，时，上述上述结论结论可以表示可以表示为为：例例8：某某人人骑骑车车向向东东前前进进，其其速速率率为为10ms-1时时觉觉得得有有南南风风，当当其其速速率率为为15ms-1时时，又又觉觉得得有东南风，试求风速度。有东南风，试求风速度。解解：取取风风为为研研究究对对象象，骑骑车车人人和和地地面面作作为为两两个个相相对对运运动动的的参参考系。作图考系。作图根据速度变换得到根据速度变换得到：45y(北)x(东)O由图中的几何关系，知：由图中的几何关系，知：风速的大小：风速的大小：风速的方向风速的方向：为东偏北为东偏北26 3415ms-110ms-145y(北)x(东)O