第二章 质点运动学
第二章 质点运动学总结
下页 返回 结束 Δr
t 0
dr ds
r2
· B
y
元位移的大小
元路程
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第二章 质点运动学
§2.2
速度与加速度
§2.2.1 平均速度与瞬时速度 §2.2.2 平均加速度与瞬时加速度
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结束
第二章 质点运动学
§2.2.1 平均速度与瞬时速度
1.平均速度 r (t t ) r (t ) r 定义 v t t __ r 相 同 v 是矢量 , 方向与 __ r 大小为 v t 平均速率 P Q r r ( t t )
地面系
o
日心系
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Y
结束
X
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地心系
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第二章 质点运动学
选取不同的参考系，描写物 体运动的规律是不同的。
选择合适的参考系， 建立恰当的坐标系，
月亮 地球 以地球为参照系
以太阳为参考系
以方便确定物体的运动性质； 以定量描述物体的运动；
提出准确的物理模型， 以突出问题中最基本的运动规律。 讨论：刻舟求剑的启示？
x a( sin ) a(t sint ) y a(1 cos ) a(1 cost )
思考：圆内的一点和圆外的一点？
x a b sin y a b cos
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结束
第二章 质点运动学
§2.1.2 位移
1. 位移——位置矢量的增量 位移——是由初位置引向末位置的矢量，
r (t )
O
s v 0 s为路程 t
v 不能反映位移变化相对 于时间的不均匀性 .
大学物理第一章-质点运动学和第二章-质点动力学基础
位移的大小为
2 2 2 r x y z
z
路程是质点经过实际路径的长
度。路程是标量。
注意区分 Δ r 、r
Δr
Δr r ( A)
o x
A ΔS
B
r ( B) y
rA
o
rB
Δ
r
3. 速率和速度 速度是描述质点位置随时间变化快慢和方向的物理量。
平均速度
青年牛顿1666年6月22日至1667年3月25日两度回到乡间的老家1665年获学士学位1661年考入剑桥大学三一学院牛顿简介1667年牛顿返回剑桥大学当研究生次年获得硕士学位1669年发明了二项式定理1669年由于巴洛的推荐接受了卢卡斯数学讲座的职务全面丰收的时期16421672年进行了光谱色分析试验1672年由于制造反射望远镜的成就被接纳为伦敦皇家学会会员1680年前后提出万有引力理论1687年出版了自然哲学的数学原理牛顿简介牛顿第一定律
g
v v g
v
v g 远日点 g v
g v g g g g g v
v
近日点
v
v
思考题 质点作曲线运动，判断下列说法的正误。
r r s r
r r
s r
s r
Δr
矢量的矢积（或称叉积 、叉乘）
C A B
大小：C AB sin
方向：右手螺旋
C
B
矢积性质：A B B A A C ( A B) C A C B 可以得到：i j k , j k i , k i j . k i i 0, j j 0, k k 0
第二章质点运动学
例1、自由落体运动的运动方程为 、
1 y = gt 2
2
例2、平抛运动的运动方程 、
x = v0t 1 y = 2 gt
2
g 2 y= 2 x 2v 0
为轨迹方程
v •定义 定义 ∆r v r1 把由始点到终点的有向线段定义为质点 P2 v 的位移矢量，简称位移。 的位移矢量，简称位移。它是描述质点 r2 位置变化的物理量。 位置变化的物理量 v v v O y •计算 计算 r1 + ∆r = r2 v v v ∆r = r2 − r1 v v v x ∆r = r2 − r1 v v v v v v = ( x 2 i ＋y 2 j + z 2 k ) − ( x1 i ＋y1 j + z1 k ) v v v 说明 = ( x 2 − x1 )i + ( y2 − y1 ) j + ( z 2 − z1 )k •说明 •位移是矢量； 位移是矢量； 位移是矢量 • 具有瞬时性； 具有瞬时性； •位移与路程的区别 位移与路程的区别 • 具有相对性； 具有相对性； 位移是矢量： 位移是矢量：是指位置矢量的变化 • 单位： 单位：米（m） ） 路程是标量： 路程是标量：是指运动轨迹的长度
二、位置矢量、运动方程、位移 位置矢量、运动方程、
1、位置矢量 、
基本概念 从原点O到质点所在的位 从原点 到质点所在的位 置P点的有向线段，叫做 点的有向线段， 点的有向线段 位置矢量或位矢。 位置矢量或位矢。
z v
k
γ α
v r
β
P(x,y,z)
v v v v r ＝xi ＋yj + zk
力学(漆安慎)课件 2-1,2描述质点运动的物理量
v v r = r (t) —— 运动函数（运动方程 ）。 运动函数（
v v v v r (t) = x(t)i + y(t) j + z(t)k
x = x(t)
y = y(t) z = z(t)
或
由各个时刻的矢径端点连接而描 由各个时刻的矢径端点连接而描 矢径端点 画出的曲线就是质点运动的轨迹 质点运动的轨迹。 画出的曲线就是质点运动的轨迹。
x
位矢长度的变化
x22 + y22 + z22 − x12 + y12 + z12
第二章 质点运动学
讨论 位移与路程 位移与路程:
（A）P1P2 两点间的路程 ） 不唯一的, 是不唯一的 可以是∆s 或 ∆s ' v 是唯一的 而位移 ∆r 是唯一的. （B） 一般情况 位移 ） 一般情况, 大小不等于路程. 大小不等于路程
只要在研究问题中，物体的体积和形状是无关紧要的， 只要在研究问题中，物体的体积和形状是无关紧要的， 我们就可以看作质点。 我们就可以看作质点。 对于同一物体，由于研究的不同，有时可看作质点， 对于同一物体，由于研究的不同，有时可看作质点，有 时不行。 时不行。
第二章 质点运动学
·
物体可以作为质点处理的条件： 物体可以作为质点处理的条件：大小和形状对运 动没有影响或影响可以忽略。 动没有影响或影响可以忽略。 例：研究地球公转
v r (t + ∆t)
∆s v ∆r
A
质点的平均速度
第二章 质点运动学 一、 位置矢量(position vector)
由参考系上的坐标原点引 向质点所在位置的矢量称为质 点的位置矢量 简称位矢 位置矢量， 位矢。 点的位置矢量，简称位矢。
第二章 质点运动学
第二章 质点运动学运动学的任务是描述随时间的推移物体位置变化(运动)的规律,不涉及物体间相互作用与运动的关系。
§2.1 质点的运动学方程一、质点的位置矢量和运动学方程 要描述某质点在空间的位置，可以在参考系上先建立一个空间直角坐标系xyz o -，从坐标原点向该质点引一条有向线段，用r表示。
1、 位置矢量定义：自参考点（原点o ）引向质点P 所在位置的矢量。
质点位矢在直角坐标系中的表示：k z j y i x r++=ˆˆk j i,ˆ,ˆ分别为沿x 轴，y 轴，z 轴正方向的单位矢量，z y x ,,称为质点的位置坐标，质点的一组位置坐标就对应于一个位置矢量，也就对应质点一空间位置。
位矢的大小： 222z y x r r ++==位矢的方向（用方向余弦表示）：rzr y r x ===γβαcos ,cos ,cos 1cos cos cos 222=++γβα γβα,,分别为位矢与x 轴，y 轴，z 轴正方向的夹角。
2、质点的运动学方程由于质点的运动的不同时刻，位矢不同，则有：)(t r r= 即为质点的运动学方程，它给出了任意时刻质点的位置。
方程在直角坐标系中的正交分解式：k t z j t y i t x t r)()()()(++=质点运动学方程的标量形式为： )(),(),(t z z t y y t x x === 3、质点的运动轨迹质点运动时位矢端点描出的曲线，称质点运动轨迹。
由运动学方程消去t 得： 0),,(=z y x f[例] 一质点的运动学方程为：j t r i t R rsin cos +=，求其轨迹。
解：由已知，tR y t R x sin cos == ，则轨迹方程：222R y x =+，圆心在原点。
二、质点的位移和路程1、位移：描述质点在一定时间间隔内位置变动的物理量，用r∆表示。
)()(t r t t r r-∆+=∆位移在直角坐标中的正交分解式： k t z j t y i t x t r t t r r)()()()()(∆+∆+∆=-∆+=∆注意：质点的位移是矢量，其大小 12r r r r -=∆≠∆2、路程：描述质点在一定时间间隔内在其轨迹上经过路径的长度，用l ∆表示。
第二章质点运动学(2)
F
F
t1
t2 t
例 质量M=3t的重锤，从高度h=1.5m处自由落 到受锻压的工件上，工件发生形变。如果作用 的时间 (1) =0.1s， (2) =0.01s 。试求锤对工件 的平均冲力。 解法一利用动量定理，取竖 直向上为正。
( N Mg ) Mv Mv0
初状态动量为 M 2 gh ， 末状态动量为 0。
第二章 质点动力学
（2） 动量守恒定律 火箭运动 质心运动定律
2-3 冲量‧动量定理
1、冲量
dp 把牛顿第二定律的微分形式 F dt 改写为 F d t d p
考虑一过程，力对质点的作用时间从t1 — t2， t2 p2 两端积分 Fdt dp p 2 p1 mv2 mv1
mi ri
d vi mi d vc dt ac dt mi
由牛顿第二定律得
mi ai
m
i
m1a1 m2 a2 mn an
d v1 m1 F1 f12 f13 f1n dt d v2 m2 F2 f 21 f 23 f 2 n dt d vn mn Fn f n 2 f n 3 f n ( n 1) dt
x g v x g 2 gx 3x g 所以桌面受的压力 N N 3x g
2
例 2 一柔软链条长为 l ，单位长度的质量为。 链条放在桌上，桌上有一小孔，链条一端由小孔稍 伸下，其余部分堆在小孔周围。由于某种扰动，链 条因自身重量开始落下。求链条下落速度与落下距 离之间的关系。设链与各处的摩擦均略去不计，且 认为链条软得可以自由伸开。 解 以竖直悬挂的链条 m2 和桌面上的链条为一系统, O 建立如图坐标。 则 F m1 g yg 动量定理 m1
力学第二章质点运动学(PDF)
2.1一、质点把所研究的物体视为无形状大小但有一定质量的点。
•能否看成质点依研究问题而定。
例：地球绕太阳公转:地球→质点地球半径＜＜日地距离6.4×103 km 1.5×108 km地球自转:地球≠质点•复杂物体可看成质点的组合。
二、位置矢量与运动方程1、位置矢量k z j y i x r v v v v ++=定义：从坐标原点O 指向质点位置P 的有向线段位置矢量的直角坐标分量：===++=r z r y r x z y x r γβαcos ,cos ,cos 222方向：大小：γβαP (x,y,z )r v z y xo2、运动方程k t z j t y i t x r vv v v )()()(++=矢量形式参数形式===)()()(t z z t y y t x x 3、轨道方程(轨迹)== → ===0),,(0),,()()()(z y x G z y x F t z z t y y t x x t 消去•要尽可能选择适当的参照物和坐标系，以使运动方程形式最简，从而减少计算量。
三、位移和路程O P P ’r ∆v )(t r v )(t t r ∆+v s ∆•••1、位移'()()r PP r t t r t ∆==+∆−v v v 2、路程'()()s PP s t t s t ∆==+∆−注意(1) 位移是矢量（有大小，有方向）位移不同于路程(2) 位移与参照系位置的变化无关r s ∆≠∆v 与Δr 的区别r v ∆分清O r v ∆r v∆O r∆••O PP ’r ∆v )(t r v )(t t r ∆+v s∆•••思考：什么情况下位移的大小等于路程？[例题]一质点在xOy平面内依照x= t 2 的规律沿曲线y = x3/ 320运动，求质点从第2 秒末到第4秒末的位移(式中t的单位为s；x，y的单位为cm)。
[解] ()()r r t t r t ∆=+∆−v v v 1212.6i j=+v v(cm)2121()()x x i y yj=−+−v v [()()][()()]x t t i y t t j x t i y t j =+∆++∆−+v v v v[()()][()()]x t t x t i y t t y t j=+∆−++∆−v v 66222121()()320320t t t t i j=−+−v v 662242(42)()320320i j =−+−vv 17.4 cm r ∆==v 与水平轴夹角Δarctan 46.4Δyx ϕ=o＝2.2一、速度O P P ’r∆v )(t r v )(t t r ∆+vs∆•••反映质点运动的快慢和方向的物理量1、速度的概念平均速度：平均速率:v v v v v r t r t t r t t==+−∆∆∆∆()()tt s t t s t s v ∆∆∆∆)()(−+==瞬时速度:瞬时速率:O P P ’r∆v)(t r v)(t t r ∆+vs∆•••vv v v =≠vv ,瞬时速度沿轨道切线方向2、速度的直角坐标分量()()()()::cos ,cos ,cos x y z y x z r r t x t i y t j z t kdr dx dy dz v i j k v i v j v k dt dt dt dt v v v v v v v αβγ==++==++=++ = ===v v v v vv v v v v v v v 大小方向101552r i tj t k=−++v v v v [例题]某质点的运动学方程为求：t = 0和1s 时质点的速度矢量。
第二章 质点运动学
五. 直线运动 1.直线运动的描述 直线运动：质点运动轨迹为一直线； 位矢： r xi 直线运动中，用坐标x(代数量)可表 示质点的位置； 运动方程：x x(t )
P2
x2
P1
0
x1
x
§ 1-2圆周运动
本节先讨论圆周运动，之后再推广 到一般曲线运动。 一、自然坐标系 图1-6中，BAC为质点轨迹，t时刻 质点P位于A 点，et、en分别为A点切向及法向 的单位矢量，以A为原点， et切向 和en法向为坐标轴，由此构成的 参照系为自然坐标系（可推广到 三维）
xi yj zk
讨论： a. 路程：质点沿轨迹运动所经历的路径长 度； b. 路程是标量，大小与位移的大小一般不 r s 相等，即； dr ds c. 在极限情况下 ； d. 单方向直线运动时； r s
三. 速度 描述质点运动快慢和运动方向的物量； 1.平均速度
det d v ds v 2 式（2-2）中第二项为： v v en en en dt dt r dt r
该项为矢量，其方向沿半径指向圆心。 称此项为法向加速度，记为
v a n en （2-5） r
2
det
et
et d
大小为 （2-6） 是加速度的法向分量。 结论：法向加速度分量等于速率平方除 以曲率半径 。
⑷
三、圆周运动的角量描述 1、角坐标 如图1-11，t时刻质点在A处，t+Δt时刻质点在 B处，θ是OA与x轴正向夹角， θ+ Δ θ是OB与 x轴正向夹角，称θ为t时刻质点角坐标， Δ θ 为Δt时间间隔内角坐标增量，称为在时间间 隔内的角位移。
质点运动学
质点运动学1.描述质点的运动的物理量：位矢、位移、速度和加速度。
（1）位矢：从坐标原点引向质点所在位置的有向线段，记为r。
在直角坐标系中r=x i+y j+z k。
（2）运动方程：质点的位置随时间变化的关系：r=r(t)称为运动方程。
在直角坐标系中的矢量表示式：r(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k。
在自然坐标中：s=s(t)（3）位移：由质点初始位置指向末位置的矢量，△r=r(t+△t)-r(t).在直角坐标系中：△r=△x i+△y j+△z k。
（4）路程：物体运动时沿轨迹实际通过的路径长度称为路程，用s 表示。
一般情况下，|△r|≠△s。
（5）速度：质点位置对时间的一阶倒数称为速度v=d r/d t.在直角坐标系中：v=v x i+v y j+v z k=(dx/dt)i+(dy/dt)j+(dz/dt)k在自然坐标系中：v=(ds/dt)e t速度大小称为速率，速率是标量。
v=|v|=|d r/dt|=ds/dt（6）加速度：质点速度对时间的一阶求导a=d v/dt=d2r/dt2 在直角坐标系中：a=a x i+a y j+a z k=(dv x/dt)i+(dv y/dt)j+(dv z/dt)k=(d2x/dt2)i+(d2y/dt2)j+(d2z/dt2)k 在自然坐标系中：a=a t e t+a n e n=(dv/dt)e t+(v2/ρ)e n2.常见的几种运动形式（1）匀速直线运动：v=v0+atx=x0v0t+1/2*at2v2-v20=2a(x-x0)（2）抛体运动：a x=0,a y=-gv x=v0cosθ,v0=v0sinθ-1/2*gt2x=(v0cosθ)t,y=(v0sinθ)t-1/2*gt2 （3）圆周运动：角位置：θ=θ(t)角位移：△θ=θ(t+△t)-θ(t)角速度：ω=dθ/dt=v/R角加速度：β=dω/dt=d2θ/dt2法向加速度：a n=v2/R=Rω2切向加速度：aτ=dv/dt=Rβ3.伽利略变换伽利略速度变换式：v=v0+u。
第二章质点运动学
教学时数:10教学目的与要求:（1）使学生牢固掌握即时速度和即时加速度的概念。
（2）要区分时刻与时间间隔以及位置坐标、位置矢量、位移和路等概念。
（3）要求掌握位移图线与速度图线，并能应用它们来计算位移及速度、加速度。
（4）要熟练掌握匀加速直线运动规律并能灵活运用，重点研究自由落体及竖直上抛运动。
（5）掌握好位移、速度及加速度的矢量性，能正确进行速度的合成分解。
仅讲授动坐标系作平移的情况下的相对运动。
（6）要熟练掌握圆周运动及切向加速度、法向加速度的意义。
（7）通过抛体运动的学习，使学生对运动的独立性及运动的合成有明确的认识。
（8）在圆周运动基础上介绍一般曲线运动，但不作深入研究。
（9）熟练掌握在不同坐标系下，速度、加速度的表达形式。
教学重点:参照系和坐标系；质点；时间和时刻,位置矢量，位移、速度、加速度；运动方程，运动迭加原理，切向加速度和法向加速度。
角位移、角速度、角加速度；角量与线量的关系,相对运动.教学难点:运动方程, 相对运动本章主要阅读文献资料:顾建中编《力学教程》人民教育出版社赵景员、王淑贤编《力学》人民教育出版社漆安慎杜婵英《〈力学基础〉学习指导》高等教育出版社质点运动学方程一、质点的位置矢量与运动学方程位置矢量的引入，例：研究某时刻直升飞机在空中的位置。
首先选择参考系如图：设地面上的某一点为参考点，飞机视为质点。
仅由飞机和参考点的距离并不能确定飞机的方位（飞机可以位于以参考点为球心的球面上的任何位置），只有确定飞机的方位，才能完全唯一的确定飞机的位置。
1．位置矢量的定义：由参考点指向质点所在位置的矢量为质点的位置矢量，简称“位矢”。
如图中的，即是P点的位矢：通常用表示。
若建立如图所示的直角坐标系，令坐标原点和参考点重合，则有位矢的正交分量形式：（1）上式中的称为位置坐标，即：位矢在坐标轴上的投影。
有上述定义可知：“位矢”可以描述质点的位置。
同样：建立坐标系后的“位置坐标”也可以描述质点位置。
第2章质点运动学2
=
d 2rr dt 2
= axir + a y rj
a = ar =
a2 x
+
a2 y
两种表示法下加速度
lim ar =
∆t →0
∆vr ∆t
的大小相同吗？
= anern + at ert
a = ar =
a2 n
+
a2 t
a = dv , a = v2
t dt n ρ
16
课堂讨论
ar = anern + atert
*法向加速度: 由速度方向的变化带来得的加速度
大小:
方向
an :
= ern
arn
= v2
ρ
= vω = ρω2
ρ：曲率半径。
垂直于速度,指向曲线的凹侧。
*切向加速度：由速度大小的变化带来的加速度。
大小:
方向:
at
ert
=
art
= dv dt
= ρβ
切线方向,与该点速度同向或反向.
圆周运动的加速度：ρ=R； at = Rβ ;
=dβrt × rr + ωv ×d(ωrt × rr)
切向at 法向an
20
抛体运动
例: 设质点在XOY铅垂平面内作无阻力抛体运动。
试求: 质点的速度与时间t的关系和质点的运动方程.
解: 建立坐标系
y
⎪⎪⎧a x
=
dv x dt
=0
⎨ ⎪⎪⎩a y
=
dv y dt
=
−g
vr0
由初始条件：o α
t = t0;
v(t) = v2 + v2
x
第二章质点运动学Kinematicsofaparticle
冲量－动量方法 静力学
2010年10月12日 8:00-9:50 第二章 质点运动学 2
第二章 质点运动学(Kinematics of a particle) 运动学(Kinematics): 定量地描述物体的运动而不涉及引起运动的原因
绝对运动 运动学
相对运动
•绝对运动(Absolute motion): 物体相对于固定参考系的运动 •相对运动(Relative motion): 物体相对于运动参考系的运动
x 2 y 2 R 2 z 0
第二章 质点运动学 18
x
2010年10月12日 8:00-9:50
力学(Mechanics) 第二章 质点运动学
Kinematics of a particle
2.1质点的运动学方程
Kinematic equation of a particle
2.1.1 位置矢量 2.1.2 运动学方程轨迹方程 2.1.3 位移矢量
2010年10月12日 8:00-9:50
第二章 质点运动学
12
2.1.3 运动学方程轨迹方程
1. 运动学方程(Kinematical equation of motion)
方向随时间变化
v 运动的质点的位置随时间变化，因而其位置矢量 r 的大小和 v是时间t 的矢量函数 r v v r r (t )
假定极限存在. 导数的符号表述：
f ( x)
2010年10月12日 8:00-9:50
dy df y dx dx
第二章 质点运动学
x
x+x
25
2.2.1 数学知识：矢量函数的导数 2. 二阶导数(Second Derivative):
力学 第二章 质点运动学
v
arccos vz 5618'
v
二、平均加速度与瞬时加速度
1、平均加速度：速度矢量对时间的平均变化率。
a v v(t t) v(t)
t
t
v(t )
v
速度矢端曲线
v( t t )
§2.3 质点的直线运动(x vx ax )
一、运动学方程
x xt
二、速度和加速度
1、速度（瞬时速度）
vx
dx dt
大小表示质点在t时刻运动的快慢；
正负分别对应于质点沿Ox正向和负向运动。
2、加速度
ax
dvx dt
d2x dt 2
ax与vx同号，则加速；ax与vx反号，则减速。
4、质点的运动学轨迹方程
质点运动时描出的轨迹称为质点的轨迹。 也就是位置矢量的矢端曲线。
质点在平面Oxy上运动，
轨迹方程： y y(x) 或者：f (x, y, z) 0
例题：r R cos tiˆ R sin tˆj, 求:轨迹方程。
y R
解： x2 y2 R2.
x
二、位移
v
v
v
4、注意：
（1）平均速度的大小不等于平均速率。 （2）瞬时速度的大小等于瞬时速率。 （3）即使位置矢量的大小不变，也可以有速度。
ΔS
r(t )
r
S
r(
t
t
)
o
dr / dt
r(t )
ΔS
S
r
r( t t )
第2章《质点运动学》习题解答
第2章 《质点运动学》习题解答2.1.1 质点的运动学方程为ˆˆˆˆ(1).(32)5,(2).(23)(41)r t i j r t i t j =++=-+-求质点轨迹并用图表示。
【解】①.32,5,x t y =+=轨迹方程为y=5②2341x t y t =-⎧⎨=-⎩消去时间参量t 得：3450y x +-=2.1.2 质点运动学方程为22ˆˆˆ2t t r e i e j k-=++，（1）. 求质点的轨迹；（2）.求自t=-1至t=1质点的位移。
【解】①222tt x e y e z -⎧=⎪=⎨⎪=⎩消去t 得轨迹：xy=1,z=2②221ˆˆˆ2r e i e j k --=++,221ˆˆˆ2r e i e j k -+=++, 222211ˆˆ()()r r r e e i e e j --+-∆=-=-+-2.1.3 质点运动学方程为2ˆˆ4(23)r t i t j =++，（1）. 求质点的轨迹；（2）.求自t=0至t=1质点的位移。
【解】①.24,23,x t y t ==+消去t 得轨迹方程2(3)x y =-②0110ˆˆˆˆˆ3,45,42r j r i j r r r i j ==+∆=-=+2.2.1 雷达站于某瞬时测得飞机位置为0114100,33.7R m θ==，0.75s 后测得022124240,29.3,,R m R R θ==均在铅直平面内。
求飞机瞬时速率的近似值和飞行方向（α角）。
【解】 221212122cos()R R R R R θθ∆=+--代入数值得：22041004240-241004240cos 4.4349.385()R m ∆=+⨯⨯≈349.385465.8(/)0.75Rv m s t ∆≈==∆ 利用正弦定理可解出034.89α=-2.2.2 一小圆柱体沿抛物线轨道运动，抛物线轨道为2/200y x =（长度mm ）。
力学第二章质点运动学思考题答案
第二章质点运动学思考题2.1质点位置矢量方向不变，质点是否作直线运动？质点沿直线运动，其位置矢量是否一定方向不变？答：质点位置矢量方向不变，质点沿直线运动。
质点沿直线运动，质点位置矢量方向不一定不变。
如图所示。
2.2若质点的速度矢量的方向不变仅大小改变，质点作何种运动？速度矢量的大小不变而方向改变作何种运动？答：质点的速度矢量的方向不变仅大小改变，质点作变速率直线运动；速度矢量的大小不变而方向改变作匀速率曲线运动。
2.3“瞬时速度就是很短时间内的平均速度”这一说法是否正确？如何正确表述瞬时速度的定义？我们是否能按照瞬时速度的定义通过实验测量瞬时速度？答：“瞬时速度就是很短时间内的平均速度”这一说法不正确。
因为瞬时速度与一定的时刻相对应。
瞬时速度的定义是质点在t时刻的瞬时速度等于t至t+△t时间内平均速度t/r∆∆，当△t→0时的极限，即dtr dtrlimvt=∆∆=→∆。
很难直接测量，在技术上常常用很短时间内的平均速度近似地表示瞬时速度，随着技术的进步，测量可以达到很高的精确度。
2.4试就质点直线运动论证：加速度与速度同号时，质点作加速运动；加速度与速度反号时，作减速运动。
是否可能存在这样的直线运动，质点速度逐渐增加但加速度却在减小？答：,dtdvtvlima xxtx=∆∆=→∆加速度与速度同号时，就是说,0a,0va,0vxxxx<<>>或以a,0vxx>>为例，速度为正表示速度的方向与x轴正向相同，加速度为正表示速度的增量为正，t t ∆+时刻的速度大于t 时刻的速度，质点作加速运动。
同理可说明,0a ,0v x x <<质点作加速运动。
质点在作直线运动中速度逐渐增加但加速度却在减小是可能存在的。
例如初速度为x 0v ，加速度为t 6a x -=，速度为20t0x 0x t21t 6v dt )t 6(v v -+=-+=⎰，,0v ,0a 6t x x >><时，速度逐渐增加。
质点运动学第二章
相对速度—物体相对运动参考系的运动速度 用 表示
牵连速度—运动参考系相对静止参考系的运动速度 用 表示
则 = +
3．绝对时空观 在伽利略变换下，时间的测量和空间的测量均与参考系的运动状态无关，时间和空间亦不相联系。即： ， ，
x
y
o
雨车
雨地
车地
6下雨时，若雨点相对地匀速直线下落，汽车在平直公路上匀速行驶，求坐在汽车中的人在下列两种情况下观察的雨点运动轨迹（1）汽车做匀速直线运动，（2）汽车做匀加速速直线运动
解：研究对象：雨点，视为质点。
基本参考系：地面；运动参考系：汽车；
则： 绝= 雨地， 相对= 雨车， 牵连= 车地
在ＯＡ上截取 ，则：
当 时， ， （等腰直角三角形的两个底角相等，各为 ），
所以， ，所求船的速率； ，收绳速率。
又因为，在 中， ，
所以船速
可见： ，且 ，所以不是常量。
第二种方法：由运动学方程求解，先求小船的运动学方程，在求小船的速度。
O
A
B
O‘
自然坐标系：s=s(t)
直线运动的运动学方程：x=x(t)
3．运动轨迹：质点运动时描出的轨迹，也即位置矢量的矢端画出的曲线（矢端曲线）
轨迹方程：如在O-xy平面上 y=y(x)
4．位移：位置矢量的增量，即自质点初位置引向末位置的矢量。
在直角坐标系：
（三）．速度和加速度
5．圆周运动 速度 角速度 角加速度
加速度
法向加速度 指向圆心； 切向加速度 沿切线方向
（四）．由加速度求速度和位移
1． 一般情况
2．匀加速运动： 常矢量
第二章 质点与刚体的运动
二、参考系和坐标系 1、运动的绝对性和相对性 2、参考系：为描述物体运动而被选作标准的另外的一个不变 形的或几个无相对运动的物体。 （在描述物体运动时,被选作参考的其他物体,叫做参考系） （1）物体的运动性质与参考系有关 （2）参考系应是客观存在的不变形的物体 （3）参考系的选择原则：视研究问题方便而定
刚体是指在任何情况下，都没有形变的物体。 刚体也是一个各质点之间无相对位置变化且质量连续分布 的质点系。
§2.2
一、空间和时间的量度
空间和时间
1、经典时空观： – 时间是连续、均匀、独立、单方向流逝的东西 – 空间是连续、均匀、各向同性、独立存在着的东西 – 物质、空间、时间彼此独立无关 2、时空度量 ：时间和长度标准单位的规定 • 一切周期运动都可用来量度时间。
v2 8 m/s 与x轴正向Fra bibliotek反[例题3]将真空长直管沿竖直方向放置.自其中O点向上 抛小球又落至原处所用的时间为t2. 在小球运动过程中
经过比O点高h处,小球离开h处至又回到h处所用时间为
t1.现测得t1、t2和h，试决定重力加速度g.
[解] 建坐标系如图,
1 2 y y0 v0 y t gt 2
v 2 v0 2a( x x0 ) ③ (v 2 v0 2as)
2 2
方法二：用加速度平均定义求 图示法：位移—时间图；速度—时间图；加速度—时间图
v
x
1 2 at 2
v0
0 v0t t a 0
t
0
t
⒊只在重力作用下的直线运动
自由落体, 竖直上抛, 竖直下抛都是加速度大小a=g，方向 竖直向下的匀变速直线运动, 可直接应用匀变速直线运动 的公式，但要注意初始条件。 自由落体运动：v gt , y gt , v 2 gy (t 0, y 0)
大学物理 - 1-6章练习附答案
第一章 质点运动学1、已知一质点作直线运动，其加速度为 a ＝4+3t 2s m -⋅，开始运动时，x ＝5 m ，v =0，求该质点在t ＝10s 时的速度和位置。
解：∵ t tva 34d d +==分离变量，得 t t v d )34(d += 积分，得 12234c t t v ++= 由题知，0=t ,00=v ,∴01=c故 2234t t v += 又因为 2234d d t t t x v +==分离变量， t t t x d )234(d 2+=积分得 232212c t t x ++=由题知 0=t ,50=x ,∴52=c 故 521232++=t t x 所以s 10=t 时m70551021102s m 190102310432101210=+⨯+⨯=⋅=⨯+⨯=-x v2、质点沿x 轴运动，其加速度和位置的关系为 a ＝2+62x ，a 的单位为2s m -⋅，x 的单位为 m 。
质点在x ＝0处，速度为101s m -⋅,试求质点在任何坐标处的速度值。
解： ∵ xv v t x x v t v a d d d d d d d d ===分离变量： 2d (26)d v v adx x x ==+ 两边积分得c x x v ++=322221 由题知，0=x 时，100=v ,∴50=c∴ 13s m 252-⋅++=x x v第二章 质点动力学1、质量为M 的大木块具有半径为R 的四分之一弧形槽，如图所示。
质量为m 的小立方体从曲面的顶端滑下，大木块放在光滑水平面上，二者都作无摩擦的运动，而且都从静止开始，求小木块脱离大木块时的速度。
解: m 从M 上下滑的过程中，机械能守恒，以m ，M ，地球为系统，以最低点为重力势能零点，则有222121MV mv mgR +=又下滑过程，动量守恒，以m 、M 为系统，则在m 脱离M 瞬间，水平方向有0=-MV mv联立以上两式，得2MgR v m M =+2、 哈雷彗星绕太阳运动的轨道是一个椭圆。
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第二章质点运动学（习题）2.1.1 质点的运动学方程为求质点轨迹并用图表示。
解:① . 轨迹方程为 y=5② 消去时间参量 t 得：2.1.2 质点运动学方程为，（ 1 ） . 求质点的轨迹；（ 2 ） . 求自 t=-1 至 t=1 质点的位移。
解;① 消去 t 得轨迹： xy=1,z=2② , ,2.1.3 质点运动学方程为，（ 1 ） . 求质点的轨迹；（ 2 ） . 求自 t=0 至t=1 质点的位移。
解:① . 消去 t 得轨迹方程②2.2.1 雷达站于某瞬时测得飞机位置为， 0.75s 后测得均在铅直平面内。
求飞机瞬时速率的近似值和飞行方向（α角）。
解 :代入数值得：利用正弦定理可解出2.2.2 一小圆柱体沿抛物线轨道运动，抛物线轨道为（长度 mm ）。
第一次观察到圆柱体在x=249mm 处，经过时间 2ms 后圆柱体移到 x=234mm 处。
求圆柱体瞬时速度的近似值。
解:2.2.3 一人在北京音乐厅内听音乐，离演奏者 17m 。
另一人在广州听同一演奏的转播，广州离北京2320km ，收听者离收音机 2m ，问谁先听到声音？声速为340m/s, 电磁波传播的速度为。
解 :在广州的人先听到声音。
2.2.4 如果不允许你去航空公司问讯处，问你乘波音747 飞机自北京不着陆飞行到巴黎，你能否估计大约用多少时间？如果能，试估计一下（自己找所需数据）。
解 :2.2.5 火车进入弯道时减速，最初列车向正北以 90km/h 速率行驶， 3min 后以 70km/h 速率向北偏西方向行驶。
求列车的平均加速度。
解，2.2.6 （ 1 ）R 为正常数。
求 t=0, π/2 时的速度和加速度。
（ 2 ）求 t=0,1 时的速度和加速度（写出正交分解式）。
解：（ 1 ）当 t=0 时，当 t= π /2 时，（ 2 ）当 t=0 时，当 t=1 时，2.3.1 图中 a 、 b 和 c 表示质点沿直线运动三种不同情况下的 x-t 图，试说明三种运动的特点（即速度，计时起点时质点的坐标，位于坐标原点的时刻）。
解 : a 直线的斜率为速度b 直线的斜率为速度c 直线的斜率为速度2.3.2 质点直线运动的运动学方程为 x=acost, a 为正常数。
求质点速度和加速度并讨论运动特点（有无周期性，运动范围，速度变化情况等）。
解 :质点受力，是线性恢复力，质点做简谐振动，振幅为 a ，运动范围在，速度具有周期性。
2.3.3 跳伞运动员的速度为v 铅直向下，β、 q 为正常量。
求其加速度。
讨论当时间足够长时（即t →∞），速度和加速度的变化趋势。
解 :2.3.4 直线运动的高速列车在电子计算机控制下减速进站。
列车原行驶速度为，其速度变化规律如图所示。
求列车行驶至 x=1.5km 时加速度的大小。
解 :当 x=1.5km 时，2.3.5 在水平桌面上放置 A 、 B 两物体，用一不可伸长的绳索按图示的装置把它们连接起来。
C 点与桌面固定。
已知物体 A 的加速度，求物体 B 的加速度。
解 :以 C 为坐标原点，建立一维坐标系 o-x 。
设绳的总长度为， B 的坐标为， A 的坐标为，则得两端对 t 求导2.3.6 质点沿直线的运动学方程为。
（ 1 ）将坐标原点沿 ox 轴正方向移动 2m ，运动学方程如何？初速度有无变化？（ 2 ）将计时起点前移 1s ，运动学方程如何？初始坐标和初始速度都发生怎样的变化？加速度变不变？解 :（ 1 ），代入上式得：初速度不变。
（ 2 ）代入上式得：初坐标由 0 变为 -7m., 初速度由 10m/s 变为 4m/s.加速度不变，都是.以下四题用积分2.4.1 质点由坐标原点出发时开始计时，沿 x 轴运动，其加速度，求在下列两种情况下质点的运动学方程、出发后 6s 时质点的位置、在此期间所走过的位移及路程：（ 1 ）初速度；（ 2 ）初速度的大小为 9cm/s, 方向与加速度方向相反。
解 :（1），，当 t=6s时，, ,质点运动的路程：(2) ,,当 t=6s时，, ,质点运动的路程如图，，，质点运动的路程：2.4.2质点直线运动瞬时速度的变化规律为求至时间内的位移。
解 : ，2.4.3一质点作直线运动，其瞬时加速度的变化规律为在 t=0 时，其中均为正常数，求此质点的运动学方程。
解 : ，，2.4.4飞机着陆时为尽快停止采用降落伞制动。
刚着陆时，t=0时速度为且坐标为 x=0. 假设其加速度为， b= 常量，求此质点的运动学方程。
解 : ，，解以下四题中匀变速直线运动时应明确写出所选的坐标系、计时起点和初始条件。
2.4.5 在 195m 长的坡道上，一人骑自行车以 18km/h 的速度和 -20cm/s 2 的加速度上坡，另一自行车同时以 5.4km/h 的初速度和 0.2m/s 2 的加速度下坡。
问（ 1 ）经过多长时间两人相遇；（ 2 ）两人相遇时，各走过多少路程。
解 :建立坐标系 o-x, 原点为质点 1 的初始位置。
对上坡的质点 1:t=0,v 10 =5m/s, x 10 =0, a 1 =-0.2m/s 2 ,对下坡的质点 2:t=0,v 20 =-1.5m/s,x 20 =195m,a 2 =-0.2m/s 2 ,相遇时， x 1 =x 2 , 所需时间设为 t ，则质点 1 的速度表达式为：，所以质点 1 的路程为两段路程之和，如图所式。
前 25s 的路程：后 5s 的路程：质点 2 的路程： 195-62.5+2.5=135(m)2.4.6 站台上送行的人，在火车开动时站在第一节车厢的最前面。
火车开动后经过△ t=24s ，第一节车厢的末尾从此人的面前通过。
问第七节车厢驶过他面前需要多长时间？火车作匀加速运动。
解 :设火车第六节末尾经过此人的时间为 t 6 ，火车第七节末尾经过此人的时间为 t 7 ，2.4.7 在同一铅直线上相隔 h 的两点以同样的速率 v 0 上抛二石子，但在高处的石子早 t 0 秒被抛出。
求此二石子何时何处相遇。
解 :解出 t 得：，将 t 代入，得2.4.8 电梯以 1.0m/s 的匀速率下降，小孩在电梯中跳离地板 0.50m 高，问当小孩再次落到地板上时，电梯下降了多长距离？解 :建立基本坐标系 o-x, 原点固结在地面上，建立运动坐标系原点固结在电梯的地板。
小孩相对运动参照系（电梯）跳起到落回地板所需时间设为 t ，则解出 td 得，这段时间电梯下降的距离为,2.5.1 质点在 o-xy 平面内运动，其加速度为位置和速度的初始条件为 t=0 时，求质点的运动学方程并画出轨迹（本题用积分）。
解 :由得初始条件：t=0 时 ,v 0x =0,v 0y =1,x 0 =1,y 0 =0,,,,轨道方程：2.5.2 在同竖直值面内的同一水平线上 A 、 B 两点分别以 30 0 、 60 0 为发射角同时抛出两小球欲使两小球相遇时都在自己的轨道的最高点，求 A 、 B 两点的距离。
已知小球在 A 点的发射速率解 :，2.5.3 迫击炮弹的发射角为 60 0 , 发射速率 150m/s. 炮弹击中倾角 30 0 的山坡上的目标，发射点正在山脚。
求弹着点到发射点的距离 OA.解 :由几何关系：将 (2) 、 (3) 式代入 (1) 式2.5.4 轰炸机沿与铅直方向成俯冲时，在 763m 高度投放炸弹，炸弹离开飞机 5.0s 时击中目标。
不计空气阻力。
（ 1 ）轰炸机的速率是多少？（ 2 ）炸弹在飞行中经过的水平距离是多少？（ 3 ）炸弹击中目标前一瞬间的速度沿水平和铅直方向的分量是多少？解 :以投放炸弹处为坐标原点（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）2.5.5 雷达观测员正在监视一越来越近的抛射体，在某一时刻，靠他得到这样的信息：（ 1 ）抛射体达到最大高度且以速率 v 沿水平方向运动；（ 2 ）观察者到抛射体的直线距离为；（ 3 ）观测员观察抛体的视线与水平方向成角。
问：（ 1 ）抛射体命中点到观察者的距离 D 等于多少？（ 2 ）何种情况下抛体飞越观察者的头顶以后才击中目标？何种情况下抛体在未达到观测员以前就命中目标？解 :（ 1 ），，命中点，观测者抛射体命中点到观察者的距离（ 2 ）当，飞越观察者的头顶击中目标，即当，抛体在未达到观测员以前就命中目标，即2.6.1 列车在圆弧形轨道上自东转向北行驶，在我们所讨论的时间范围内，其运动学方程为（长度： m 时间： s ）。
t=0 时，列车在图中 o 点，此圆弧形轨道的半径 r=1500m. 求列车驶过 o 点以后前进至 1200m 处的速率及加速度。
解 :采用自然坐标系， o 为自然坐标系的原点。
由得，，当 s=1200m 时，由得（舍去）因为当 t=60 时，当，即列车驶过 o 点以后前进至 1200m 处的速率为 40m/s.过 o 点以后前进至 1200m 处的加速度：可以算出与的夹角为 152 0 。
2.6.2 火车以 200km/h 的速度驶入圆弧形轨道，其半径为 300m 。
司机一进入圆弧形轨道立即减速，减速度为 2g 。
求火车在何处的加速度最大？最大加速度是多少？解 :，由上式可见 t=0 时（刚进入圆弧形轨道时）， a 最大。
代入数值得2.6.3 斗车在位于铅直平面内上下起伏的轨道运动。
当斗车达到图中所示位置时，轨道曲率半径为150m ，斗车速率为 50km/h, 切向加速度 a τ =0.4g. 求斗车的加速度。
解，加速度与水平方向的夹角2.8.1 飞机在某高度的水平面上飞行。
机身的方向是自东北向西南，与正西夹 15 0 角，风以100km/h 的速率自西南向东北方向吹来，与正南夹 45 0 角，结果飞机向正西方向运动。
求飞机相对于风的速度及相对地面的速度。
解 :基本参照系：地面运动参照系：风研究对象：飞机绝对速度：，相对速度：，牵连速度：= +（ 1 ）（ 2 ）2.8.2 飞机在静止空气中的飞行速率是 235km/h ，它朝正北的方向飞行，使整个飞行的时间内都保持在一条南北向的公路上空。
地面观察者利用通讯设备告诉驾驶员正在刮着速率等于 70km/h 的风，但飞机仍能以 235km/h 的速率沿公路方向飞行。
（ 1 ）风的方向是怎样的？（ 2 ）飞机的头部指向哪个方向？也就是说，飞机的轴线和公路成怎样的角度？解 :基本参照系：地面运动参照系：风研究对象：飞机绝对速度：，相对速度：，牵连速度：= +2.8.3 一辆卡车在平直路面上以恒定速率 30m/s 行驶，在此车上射出一抛体，要求在车前进 60m 时，抛体仍落回到车上原抛出点，问抛体射出时相对于卡车的初速度的大小和方向，空气阻力不计。
解 :以卡车为参照系，以起抛点为坐标原点，建立直角坐标系o-xy,如图所示。