第1讲 质点运动学
第一讲-质点运动学
√
练习题
4、质点沿半径为R的圆周运动，运动学方程为
2 4 rad /s = ． 加速
3 2t 2
(SI) ，则ｔ时刻质点的法向加速度大小为an= 16 R t2 ；角
5、某人骑自行车以速率V向正西方向行驶，遇到由北向南刮的 风（设风速大小也为V），则他感到的风是从 A）东北方向吹来 B）东南方向吹来 [C] C）西北方向吹来 D）西南方向吹来
t 2s时 an 2 230.4(m/s )
at 2 4.8(m/s2 )
t 0.661( s)
t 0.661s 2 4t 3
t 0.661s
3.15( rad )
练习题
2 10. 质点在 Oxy 平面内运动，其运动方程为 r 2ti (19 2t ) j
t 2s时 an 2 230.4(m/s )
2
t 0.661( s)
at 2 4.8(m/s2 )
t 0.661s 2 4t 3
t 0.661s
3.15( rad )
练习题
9 一质点在半径为 0.10 m 的圆周上运动，其角位置 为 2 4t 3 。（1）求在 t 2s 时质点的法向加速度和切向 加速度；（2）当切向加速度的大小恰等于总加速度大小的一 半时，θ值为多少？（3）t 为多少时，法向加速度和切向加速 度的值相等？ 解： （3） 当a a 时 （2） 总加速度
et
x
an r 2 at r v r 0 t 匀变速率圆周运动： 1 2 0 0t t 2
v r
知识点回顾
4、注意区分： | r | 与r 1 ) r 与r a 与at 2) a与at
第1章-质点运动学
位移
rrrBArxBxBAii
rA
yA
yB
j j
y
yB A r
r y A A
rB
B
yB yA
(xB xA)i ( yB yA) j
xi yj
o
xA
xB x
xB xA
若质点r 在 (三x维B 空x间A中)i运动( yB
yA)
j
(zB
z A )k
位移的大小为 r x2 y2 z2
23
1-2 求解运动学问题举例
例3 有 一个球体在某液体中竖直下落, 其初速度
为 v0 10 j , 它的加速度为 a 1.0v j. 问:（1）经
过多少时间后可以认为小球已停止运动, （2）此球体
在停止运动前经历的路程有多长？
解：由加速度定义
v dv 1.0
t
dt
,
v v0
0
a dv 1.0v dt
v v2
位矢量
t
0,
t 0
0,
tv
rv
a
dv dt
v2 r
en
2ren
法向单 位矢量
vB
r
o
en
v
vB
vA et r
vA
31
1-3 圆周运动
三alitlami tm 变00速litdmdv圆vvvt0tt周nt运vtavt动dvdttrev2ttleeit切mntv向a0nn加aaevn速tntneen度t 和法向v加2v速tove度2vnrevtv1vn1
一 圆周运动的角速度和角加速度
角坐标 (t)
角速度 (t) d (t)
dt
速率
大学物理——第1章-质点运动学
21
★ 角速度 ω 大小: ω = lim 单位:rad/s ★ 角加速度 β
v
θ dθ = t →0 t dt
v
ω dω d2θ 大小: β = lim = = 2 t →0 t dt dt
单位:rad/s2
22
★ 线量与角量的关系
dS = R dθ
16
取CF的长度等于CD
v v v v vτ vn v v v = lim + lim 加速度: a = lim = aτ + an t →0 t →0 t →0 t t t
v v 当 t →0 时,B点无限接近A点,vA与 vB v v 的夹角 θ 趋近于零,vτ 的极限方向与 vA v 相同,是A点处圆周的切线方向;vn的极 v 限方向垂直于 vA ,沿圆轨道的半径,指向
y
v v v r = r′ + R
v v v dr dr ′ dR 求导: = + dt dt dt
o
y′ M v u v v r′ r v o′ R
x′
z′
x
z v称为质点M的绝对速度, v称为质点M的相对速度, υ υ′
v 称为牵连速度. u
27
v v υ =υ′ +u
v
in 例1-6 一人向东前进,其速率为 υ1 = 50m/ m ,觉得风从 正南方吹来;假若他把速率增大为υ2 = 75m/ m , in
t
9
初始条件:t = 0 , x = 5m 【不定积分方法】
速度表达式是: v = 4+ 2t
x = ∫ vdt = ∫ (4 + 2t)dt = 4t + t 2 + C
第一章 质点运动学
物理学
已知：x(t ) 1.0t 2.0，y(t ) 0.25t 2 2.0， 解 (1) 由题意可得
dx dy vx 1.0， vy 0.5t dt dt t 3s 时速度为 v 1.0i 1.5 j
速度 v 与
x 轴之间的夹角
第一章 质点运动学
第一章 质点运动学
14
物理学
讨论 一运动质点在某瞬 y 时位于矢径 r ( x, y ) 的 y 端点处，其速度大小为
dr （ A） dt dr （ C） dt
注意
dr （B） dt
r (t )
x
o
x
dx 2 dy 2 （ D） ( ) ( ) dt dt
dr dr dt dt
1.5 0 arctan 56.3 1.0
17
物理学
x(t ) 1.0t 2.0， （2）运动方程 2 y(t ) 0.25t 2.0，
消去参数 t 可得轨迹方程为
y 0.25x x 3.0
2
轨迹图 t 4s
y/m
6 2
t 4s
t 2s 4
-6 -4 -2 0
dx B v A v x i i vi dt l dy vB v y j j o dt 2 2 2 x y l dx dy 两边求导得 2 x 2y 0 dt dt
第一章 质点运动学
解
y
A
v
x
20
物理学
dy x dx y 即 dt y dt B x dx vB j y dt dx o v dt vB vtan j
第一章_质点运动学
dv − 1 ) t dt , ( − 1 .0 s − 1 ) t = (−1.0s ∫0 v = v0e ∫v0 v
dy ( −1.0 s −1 ) t v= = v0 e dt
dv a= = ( − 1.0s −1 ) v dt
o
v0
∫0 d y = v 0 ∫0 e
y t
(-1.0s ) t
（2） 运动方程 ）
x ( t ) = (1m ⋅ s ) t + 2m
y (t ) = ( 1 m ⋅ s −2 )t 2 + 2 m 4
1 -1 2 y = ( m ) x − x + 3m 4
y/m
6
−1
由运动方程消去参数 t 可得轨迹方程为
轨迹图
t = − 4s
t = 4s
t = − 2s 4
位移的物理意义 A) 确切反映物体在空间位置的变化 与路径无关， 确切反映物体在空间位置的变化, 与路径无关， 只决定于质点的始末位置. 只决定于质点的始末位置 B）反映了运动的矢量性和叠加性 ）反映了运动的矢量性和叠加性. 了运动的矢量性和叠加性
第一章
质点运动学
∆ r = ∆ xi + ∆ yj + ∆ zk
z
2
r
r= r = x +y +z
第一章
质点运动学
位矢
r 的方向余弦
cos α = x r cos β = y r cos γ = z r
y
β
P
r
P
α , β , γ 分别是
r
o
和Ox轴， Ox轴
z
γ
α
x
Oy轴和Oz轴之间的夹角。 Oy轴和Oz轴之间的夹角。 轴和Oz轴之间的夹角
第1章质点运动学讲解
第1章 质点运动学一、基本要求1．理解描述质点运动的位矢、位移、速度、加速度等物理量意义；2．熟练掌握质点运动学的两类问题：即用求导法由已知的运动学方程求速度和加速度，并会由已知的质点运动学方程求解位矢、位移、平均速度、平均加速度、轨迹方程；用积分法由已知的质点的速度或加速度求质点的运动学方程；3．理解自然坐标系，理解圆周运动中角量和线量的关系，会计算质点做曲线运动的角速度、角加速度、切向加速度、法向加速度和总加速度； 4．了解质点的相对运动问题。
二、基本内容（一）本章重点和难点重点：掌握质点运动学方程的物理意义，利用数学运算求解位矢、位移、速度、加速度、轨迹方程等。
难点：将矢量运算方法及微积分运算方法应用于运动学解题。
（提示：矢量可以有黑体或箭头两种表示形式，教材中一般用黑体形式表示，学生平时作业及考试必须用箭头形式表示）（二）知识网络结构图⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧相对运动总加速度法向加速度切向加速度角加速度角速度曲线运动轨迹方程参数方程位矢方程质点运动方程运动方程形式平均加速度加速度平均速度速度位移位矢基本物理量,,,,:)(,,（三）基本概念和规律1．质点的位矢、位移、运动方程（1）质点运动方程（)(t r ）：k t z j t y i t x t r)()()()(++=（描述质点运动的空间位置与时间的关系式）（2）位矢（r ）：k z j y i x r ++= （3）位移（r ∆）：k z j y i x r ∆+∆+∆=∆（注意位移r ∆和路程s ∆的区别，一般情况下：S r ∆≠∆ ，r r r∆∆≠∆或； 位移大小：()()222)(z y x r ∆+∆+∆=∆；径向增量：21212122222212z y x z y x r r r r ++-++=-=∆=∆（4）参数方程：⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(t z z t y y t x x（5）轨迹方程：从参数方程中消去t ，得：0),,(=z y x F 2．速度和加速度 直角坐标系中（1）速度（v）：k dt dz j dt dy i dt dx dt r d v++==（2）平均速度（v）：tr v ∆∆=（3）加速度（a ）：k dt z d j dty d i dt x d dt r d dt v d a22222222++===（4）平均加速度（a）：tv a ∆∆=（注意速度和速率的区别：dt rd v =，但一般情况下dtdr dt r d ≠） 3．曲线运动描述质点的曲线运动，常采用自然坐标系（由切向和法向组成），在自然坐标系中，质点的（线）速度和加速度为：（1）速度：t t e dtds e v v== （2）加速度：n n t t n t e a e a a a a+=+= 其中：切向加速度（t a ）t t e dtdv a=，量度速度量值的变化； 法向加速度（n a ）n n e v aρ2=，量度速度方向的变化，ρ为曲率半径。
大学物理第1章质点运动学ppt课件
大学物理第1章质点运动学ppt课件•质点运动学基本概念•直线运动中质点运动规律•曲线运动中质点运动规律•相对运动中质点运动规律目录•质点运动学在日常生活和工程技术中应用•总结回顾与拓展延伸质点运动学基本概念01质点定义及其意义质点定义用来代替物体的有质量的点，是一个理想化模型。
质点意义突出物体具有质量这一要素，忽略物体的大小和形状等次要因素，使问题得到简化。
参考系与坐标系选择参考系定义为了研究物体的运动而选作标准的物体或物体系。
坐标系选择为了定量描述物体的位置及位置的变化，需要在参考系上建立适当的坐标系。
常用的坐标系有直角坐标系、极坐标系、自然坐标系等。
位置矢量与位移矢量位置矢量定义从坐标原点指向质点的矢量，用r表示。
位移矢量定义质点从初位置指向末位置的有向线段，用Δr表示。
质点在某时刻的位置矢量对时间的变化率，即单位时间内质点位移的矢量，用v 表示。
速度定义加速度定义速度与加速度关系质点在某时刻的速度矢量对时间的变化率，即单位时间内质点速度的变化量，用a 表示。
加速度是速度变化的原因，速度变化快慢与加速度大小成正比，方向与加速度方向相同。
速度加速度定义及关系直线运动中质点运动02规律匀速直线运动特点及应用特点质点在直线运动中，速度大小和方向均保持不变。
应用描述物体在不受外力或所受合外力为零的情况下的运动状态。
匀变速直线运动规律探究定义质点在直线运动中，加速度大小和方向均保持不变。
运动学公式包括速度公式、位移公式和速度位移关系式，用于描述匀变速直线运动的基本规律。
定义物体在重力的作用下从静止开始下落的运动。
运动学公式包括位移公式、速度公式和速度位移关系式，用于描述自由落体运动的基本规律。
运动特点初速度为零，加速度为重力加速度，方向竖直向下。
自由落体运动分析竖直上抛运动过程剖析定义物体以一定的初速度竖直向上抛出，仅在重力作用下的运动。
运动特点具有竖直向上的初速度，加速度为重力加速度，方向竖直向下。
大学物理：第一讲：质点运动学
速度
描述质点运动快慢和方向的物理量。 总结词 速度是质点在单位时间内通过的位移量，表示质点运动快慢和方向。速度的大小称为速率，方向与位移方向相同。 详细描述
加速度
加速度是质点速度的变化量与时间的变化量的比值，表示质点速度变化的快慢和方向。加速度的大小表示速度变化的强度，方向与速度变化的方向相同。
THANKS
TITLE
感谢观看
描述一个质点相对于另一个质点的运动速度。
相对速度
相对加速度
伽利略变换
伽利略变换是描述两个惯性参考系之间运动关系的公式。
02
通过伽利略变换，可以确定一个参考系中观察到的另一个参考系中的运动状态。
伽利略变换在经典力学中具有重要地位，是理解相对运动和绝对运动关系的关键。
03
牛顿运动定律的相对性
一个不受外力作用的质点将保持静止或匀速直线运动状态。
公式
自由落体运动满足$s = frac{1}{2}gt^2$，其中$s$是下落距离，$g$是重力加速度，$t$是时间。
应用
通过测量下落距离和时间，可以计算重力加速度；反之，通过已知的重力加速度和下落距离，可以推算时间。
自由落体运动
斜抛运动
应用
通过测量投掷角度、距离和时间，可以计算初速度；反之，通过已知的初速度和投掷角度，可以推算距离。
大学物理：第一讲：质点运动学
TITLE
演讲人姓名
Ⅰ
引言
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Ⅱ
质点运动的基本概念
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Ⅲ
质点的直线运动
点击添加正文
Ⅳ
质点的曲线运动
点击添加正文
Ⅴ
质点运动的相对性
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Ⅵ
质点运动学的应用
第一章 质点运动学
第一章 质点运动学研究物体（质点）的位置随时间而变化的规律 §1. 1质点运动的描述 一 参考系 质点 1 参考系为描述物体的运动而选择的标准物叫做参考系.选取的参考系不同，对物体运动情况的描述不同，这就是运动描述的相对性. 2 质点如果我们研究某一物体的运动，而可以忽略其大小和形状对物体运动的影响，若不涉及物体的转动和形变，我们就可以把物体当作是一个具有质量的点（即质点）来处理 .质点是经过科学抽象而形成的理想化的物理模型 . 目的是为了突出研究对象的主要性质 , 暂不考虑一些次要的因素 . 二 位置矢量 运动方程 位移 1 位置矢量确定质点P 某一时刻在坐标系里的位置的物理量称位置矢量, 简称位矢。
j y i x r+=位矢的值为位矢 的方向余弦2 运动方程k t z j t y i t x t r)()()()(++=消去参数t 得轨迹方程 f(x,y,z)=03 位移讨论：（1）位移的大小与位矢长度的变化（2）位移与路程：r r == r r r x =αcos r y =βcos rz =γcos A B r r r -=∆∴kz z j y y i x x r A B A B A B)()()(-+-+-=∆rr ∆≠∆ 222z y x r ∆+∆+∆=∆212121z y x ++-222222z y x ++=∆r一般情况, 位移大小不等于路程 当Δt →0时，ds r d r =⇒∆三 速度 1 平均速度Δt 时间内，质点从P 1到P 22 瞬时速度当Δt →0时平均速度的极限值叫做瞬时速度, 简称速度即 大小：方向：沿质点运动轨迹的切线方向或讨论：（1）速度与速率： 瞬时速度速度与速率 平均速率与平均速度 平均速率四 加速度（反映速度变化快慢的物理量） 1） 平均加速度与 同方向 2）（瞬时）加速度（1）直角坐标系加速度加速度大小 加速度方向（2）自然坐标系在运动轨迹上任取一点o, 在某时刻t ，质点位于P 处， 沿轨迹某一方向量得的曲线长度r s∆≠∆kt z j t y i t x∆∆+∆∆+∆∆=∆∆=t r v t r t r t d d lim 0=∆∆=→∆v kt z j t y i t x d d d d d d ++=kv j i zy x ++=v v v 222zy x v v v v ++=v v x=αCOS v vy=βCOS v v z=γCOS t d d et s =v == v v d d st=v ts∆∆=v a t ∆=∆v∆ v a0d lim d t a t t∆→∆==∆v v 22d d d d r a t t == v k dt z dv j dt y dv i dt x dv++=y z a j a k + a =222222d d d d d d d d d d d d x x y y x at t y a t t a t t ======z z v v v z a a x=αCOS aay =βCOS a a z=γCOSS=S(t)即为以自然坐标系表示的质点运动方程切线坐标：沿轨迹上任一点的切线方向，切向单位矢量 法线坐标：沿轨迹上任一点的法线方向，法向单位矢量 *注意：ne t e , 随质点移动ttttee dtd d dse e dt dsρωθθ====v v其中ρ=ds/d θ 曲率半径加速度：切向加速度（速度大小变化引起）t a d d t v=切向单位矢量的时间变化率法向加速度（速度方向变化引起）ρρωω22nv v ===a即nnttnte a e a e v e dt dv a+=+=ρ2加速度大小：22nt a a a += ，方向：tna a =ϕtg 讨论：（1）一般情况下，dtdva ≠例 匀速率圆周运动 0,0=≠dtdv a（2）在讨论圆周运动和曲线运动时常采用自然坐标系，即nnttnte a e a e rv e dt dv a+=+=2§1. 2 圆周运动圆周运动一般采用自然坐标系加速度：nnttnte a e a e rv e dt dv a+=+=2t e e t d d d d tt v v +=t a d d v =n d d et θ=∆∆→∆t e t t 0lim =t e d d t加速度大小：22n t a a a += ，方向：tn aa =ϕtgta d d t v =rr a 22nvv ===ωωdtd dtd ωαθω==（1）匀速率圆周运动：速率v 和角速度ω 都为常量 .n2n n e r e a a ω==（2）匀变速率圆周运动α=常量，当t=0时，θ=θ0，ω=ω0。
第一讲质点运动的描述ppt课件
（3）头3秒内的位移和路程
解：
（1）
dx 4 2t
v vx
dt
( m / s)
故为变速直线运动
dv
2
( m / s2 )
a
dt
故为匀变速直线运动
t 2s
v, a反向，
t 2s
t 2s
v, a同向， 故为匀加速直线运动
a)
( r、
) 是描述物体运动状态的物理量，
① 状态量：
分别表示质点任一时刻的位置
状态和运动状态。当质点的位
置状态和速度状态同时确定时，
质点的运动状态才完全确定。
a ) 是描述质点状态变化的物理量，
② 过程量：( r、
分别表示在某一时间间隔内的
位置矢量变化和速度的变化。
a ) --矢量
dt
v v0 at
v v 0 at
dx vdt (v 0 at)dt
x
t
x0
0
dx (v 0 at)dt
1 2
x x 0 v 0t at
2
例3：质点做直线运动已知a=Rx，（R>0）
求v（x）。设（ = ， = ）
第一章 质点运动学
第一讲
质点运动的描述
基本概念：位置、速度、加速度
基本规律: 两类运动学问题。
作业：练习1 坐标系 质点 位置矢量
位移 速度 加速度
教学基本要求
一 、掌握位置矢量、位移、速度、加速
度等描述质点运动及运动变化的物理量 ，
理解它们的矢量性、瞬时性和相对性。
大学物理第一章质点运动学讲义
质点运动学的重要概念
位移
质点的位移是指质点在某一时刻相对 于参考点的位置变化量。
速度
质点的速度是指质点在某一时刻相对 于参考点的位置变化率。
加速度
质点的加速度是指质点在某一时刻相 对于参考点的速度变化率。
相对速度和相对加速度
当存在多个质点时，需要引入相对速 度和相对加速度的概念，以描述不同 质点之间的相对运动关系。
伽利略变换适用于低速运动，即速度远小于光速的情况。在 高速运动或引力场中，需要使用爱因斯坦的相对论变换。
牛顿运动定律的相对性
01
牛顿第一定律
一个质点将保持其运动状态，除非受到外力作用。在相对运动的参考系
中，牛顿第一定律速度与作用力成正比，与质量成反比。在相对运动的参考系中，
质点的描述主要包括位置、速度和加速度等基本参数，这些参数随时间变化而变 化，描述质点的运动状态。
质点运动的基本参数
位置
质点的位置可以用空间坐标来表示，通常用三维 坐标系中的坐标值描述。
速度
质点的速度是描述质点运动快慢和方向的物理量， 用矢量表示，包括大小和方向。
加速度
质点的加速度是描述质点速度变化快慢的物理量， 也是矢量，包括大小和方向。
描述一个质点相对于另一个质点的运 动速度。当两个质点相对运动时，它 们的相对速度取决于它们各自的运动 状态和方向。
相对加速度
描述一个质点相对于另一个质点的加 速度。相对加速度的大小和方向与两 个质点的相对速度有关，并影响它们 之间的相对位置和运动轨迹。
伽利略变换
伽利略变换是描述两个相对运动的惯性参考系之间关系的数 学公式。通过伽利略变换，可以计算一个质点在另一个质点 的参考系中的位置、速度和加速度。
大学物理第一章质点运动 学讲义
第一章- 质点运动学
间位置而设置的坐标系统，是固结于参考系上的一个数
学抽象。 常见的坐标系：
角向
r
Oα
径向
•P(r,α)
极轴
z
P•(x,y,z)
r
Or
y
x
极坐标系
r n
τr
P(n,τ)
O
•P(r,ϕ ,θ ) r
直角坐标系
自然坐标系
球坐标系
§1-2 描述质点运动的物理量
1-2-1 位置矢量与运动方程
上海
热带风暴
1 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
设质点： t+
t ∆t
时位时移刻刻:：: AB∆,, rvrvrBvA
z
A v
∆rv
B
rA
v rB
O
y
x
平均速度： vr = ∆rv ∆t
单位：m⋅s-1
平均速度的方向与∆t时间内位移的方向一致
2 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
2. 瞬时速度(速度) 精细地描述质 z
avt
=
dv dt
evt
=
d2s dt 2
evt
v 讨论 det
dt
∆evt
=
v et
(t
+
∆t)
-
v et
(t
)
当： ∆t → 0 , ∆θ → 0
有 ∆et = et ⋅ ∆θ = ∆θ
方向 ∆evt ⊥ evt
v d et dt
= lim ∆evt ∆t→0 ∆t
= lim ∆θ ∆t→0 ∆t
质点运动学1
? (x2 ?
?
x
1
)i ? (
?
y2
?
y?1 )j
?
(z2 ??z1 )k
? r ? ? xi ? ? yj ? ? zk
位移矢量的大小
? Δr ? Δx 2 ? Δy2 ? Δz2
位移矢量的方向 cosα ? Δx?, cosβ ? Δy?, cosγ ? Δz?
Δr
Δr
Δr
说明
?? 1）? r 和 r 是两个不同的概念。
大学物理 （2-1）
第1章 质点运动学
质点运动学研究质点的 位置、位移、 速度 、加速度 等随 时间 变化的规律。
本章重点： 1.2 描述质点运动的基本物理量； 1.3 平面曲线运动。
1.1 运动学的一些基本概念
1.1.1 参考系(reference frame )和坐标系(coordinate)
?
d2 y d t2 ,
az
?
d vz dt
?
d2 z d t2
加速度的大小
?
a? a ?
a
2 x
?
a
2 y
?
a
2 z
加速度的方向
cos? ? ax , cos ? ? a y , cos ? ? az
a
a
a
?
?
?
例题1-1 已知质点的运动方程是 r ? ( R cos ? t )i ? ( R sin ? t ) j
dx ? d y ? dz ?
dx
dy
dz
v ? ? i ? j? k dt dt dt dt
vx ? d t ,vy ? d t ,vz ? d t
第一章质点运动学
3v 1.73v， y 轴正向 沿
作业：习题1-7，1-9
练习：习题1－6
提示：1-1题为第一类质点运动学问题,即 运动方程 加速度
速度 加速度
1-2题为第二类质点运动学问题,即
速度 运动方程
§1-3
圆周运动
y
y
平面极坐标 质点在A点的位置由 （r,θ）来确定． 以（r,θ）为坐标的 坐标系称为平面极坐标系
x x(t ) 分量式 y y (t ) z z(t )
—参数方程
2.运动方程
y
y (t )
r (t )
P
x(t )
从上式中消去参数 t ，可 z (t ) z 得质点运动的轨迹方程:
o
x
f ( x, y, z) 0
选择题.已知一质点位置矢量的表达式为 ： r 2i 5 j 37k ,则该质点作 (A) 匀速直线运动。 (B) 静止。 (C) 抛物线运动。 (D)一般曲线运动。
物 理 学
第一章
质点运动学
§1-1
质点运动的描述
一 参考系 质点 1.参考系 为描述物体运动而选定的标准物,称 为参考系。 参考系选取的不同，物体运动的描 述不同，即对物体运动的描述具有相 对性。 2.质点 忽略物体的体积与形状,将其抽象为 具有同等质量的点，称为质点. 质点是理想模型.
二 位置矢量
x(t ) 1.0t 2.0， （2）运动方程 2 y(t ) 0.25t 2.0， 则有 t x 2 ，带入 y 中可消去参数 t ，
可得轨迹方程为
轨迹图
t 4 s
6
y 0.25x x 3.0
2
y/m
第1章-质点运动学ppt课件
§1-1 参考系
Function of Motion of a Particle
参考系
在描述物体运动时，必须指定其他物体或物体系 作为参考，这就是参考系〔或称参照系）。
例如： 以固定在地面上的某标志物为参考——地面参考系； 以实验室的墙壁地板为参考——实验室参考系； 研究行星运动时以恒星为参考——恒星参考系。
1. 平均加速度
速度质改点变在量t时与v间该里时的间
间隔的比值，即
a v
t
z
vA
A
vB
B
O
y
x
vA
vvB
v A
vB
称为质点在 t时间里的平均加速度
平均加速度是对一段时间而言的，它只能粗略地 表示质点速度变化的情况。
2. 瞬时加速度
当 t 0
，
v
alaim
t 0 t
d v dt
d
2
r
dt 2
v2 练习 ：从加速度定义出发，导出 a n R
2. 变速圆周运动的加速度
加速度定义：a Av
v
lim
t0 t
lti m 0vt1lti m 0vt2
R B v
v
v v 1v 2
O
v v1
v2
v
v1 AB vv R
v2 v v v
v1
AB v R
a lim v1
lim v2
法向加速度分量 切向加速度分量
v2 dv a n t
R dt
说明
切向加速度反映了速度大小变化的快慢； 法向加速度反映了速度方向变化的快慢。
（匀速率圆周运动只有法向加速度，且大小不变
质点运动学第1讲
2-1-2 位置矢量与运动方程
位置矢量
r
xi
yj
zk
矢量的大小：r
r
x2 y2 z2
矢量的方向：OP
y
P（x ,y , z）
r
o
x
z
质点运动方程
质点的位置随时间t变化的规律
r
r (t )
x(t )i
y(t) j
z(t )k
矢量式
S
r
B
rB
x 位移！
该矢量大小的改变 一个矢量的改变,包括
和该矢量方向的改变
位矢方向
的改变 r (t )
dr
r(t t ) r(t )
r
r
r
r(t
t )
r(t )
位矢大小
的改变
0 r (t t) dr
2-1-4 速度
描12.. 述平瞬质均时点速速位度度置变 化li快tmr0t慢和rt 运ddr动t 方向的矢y 量
内容
§2-1 直角坐标系中质点运动的描述 §2-2 自然坐标系中质点运动的描述 §2-3 相对运动（自学）
2-1-1 参考系 质点模型
质点: 只有质量而没有大小和形状的理想模型。
参考系: 定性描述物体运动而选作参考的物体。
运动描述的相对性 参考系选择是任意的
坐标系: 固定在参考系上，定量描述空间位置的有
A
rA
A B B
rB
2. 瞬时加速度:
o
B
y
x
a
lim t 0 t
d
dt
d dt
dr d t
d
2
r
第1章 质点运动学
第1章 质点运动学
1.1 质点运动的描述
一、几个基本概念
运动是绝对的，对运动的描述是相对的。
1. 参考系 为了描述物体的运动而被选作参考的 物体叫做参考系.
任何实物物体均可被选作参考系;场不能作为参考系。
2. 坐标系 为了定量的描述物体的运动，在选定的参考 系上建立的带有标尺的数学坐标,简称坐标系。 坐标系是固结于参考系上的一个数学抽象。
?
即：
v v lim lim ? t 0 t t 0 t
v
vB
A
v
v v dv dv dt dt
第1章 质点运动学
总结：
描述对象 位置
描述质点运动的基本物理量
物理量 位矢 定义
r , r (t )
中心
位置变化
位移
v v0
a (t )
，如何求解
即
dv a dt
t dv adt
t0
同理：
r
r0
t dr v dt
t0
积分上、 下限！
第1章 质点运动学 例: 质量为5kg可视为质点的物体从原点开始运动， 其加速度为 a (0.4 1.2t )i 1.6 j （设运动开始记时，t 为运动时间），求任意时刻质点的速度及运动方程。
rB
r
r r
第1章 质点运动学
讨论： 比较位移和路程
r AB
s AB
s
A
B
r
位移：是矢量，表示质点位置变化的净效果，与质点 运动轨迹无关，只与始末点有关。 路程：是标量，是质点通过的实际路径的长，与质点 运动轨迹有关 直线（直进）运动 r s 何时取等号？ 曲线运动 t 0时, dr ds
质点运动学ppt课件
切向加速度 度
速度大小变化产生的加速
法向加速度 度
速度方向变化产生的加速
大小：
方向： 切线方向
圆周运大动小的：总加速度
方向： 指向圆心
的大小
20
自然坐标系
B
沿着质点的运动轨迹，选取任意一点为 A 坐标原点，建立自然坐标系。
切向单位矢量
法向单位矢量 O
两者的方向互相垂直，且均随时间变化。
速度：
其大小为：
3.常用参考系 : 太阳参考系(太阳 ─ 恒星参考系)
地心参考系(地球 ─ 恒星参考系) 地面参考系或实验室参考系 质心参考系
3
坐标系：固结在参考系上的一组有刻度的射线、曲线或角度。
1.坐标系是参考系的数学抽象。
直角坐标系， 极坐标系，球坐标系，自然坐标系等 2.参考系选定后，坐标系还可任选。在同一参考系中用不同的 坐标系描述同一运动， 物体的运动形式相同，但其运动的数学 表述却可以不同。
1
15
3 2
16
二、 圆周运动
质点做曲线运动时： 看作各个瞬间做不同曲率半径的 圆周运动
质点位置
线速度
(圆周运动速率)
角速度 线量与角量关系：
对匀速圆周运动：
加速度
17
切向加速度 大小：
方向： 切线方向。
线量与角量关系： 角加速度
18
法向加速度 大小： 方向： 指向圆心方向。
19
圆周运动的加速度
1.2 质点运动的描述
Y机械运Βιβλιοθήκη 研究y物体 (质点)位置随时间的改变。
A
B
t t0
O
x
z
X
Z
n
质点的运动函数或运动方程。
第1章 质点运动学
dr υ= dt
方向： 方向：切线方向
速度是位置矢量对时间的一阶导数
第一章 质点运动学 9
3) 平均速率和瞬时速率 平均速率
S υ= t
S dS υ = lim = dt 0 t → t
运动路径
P (t1 )
瞬时速率 讨论
υ
r
s
Q(t2 )
速度的矢量性、瞬时性和相对性。 1) 速度的矢量性、瞬时性和相对性。 2) 速度和速率的区别
∫
∫
第一章 质点运动学
18
§1-4 用自然坐标表示平面曲线运 动中的速度和加速度
自然坐标系 （用自然坐标 表示质点位置） 用自然坐标S表示质点位置 表示质点位置）
设质点作曲线运动，且轨迹已知， 设质点作曲线运动，且轨迹已知，则 选参考点和正方向即可建立自然坐标。 选参考点和正方向即可建立自然坐标。运 动方程为： 动方程为： s = s(t) 单位切向量τ ： 长度为 ，沿切向指向运动方向 长度为1， 单位法向量 n： 长度为 ，沿法向指向凹的一侧 长度为1，
S = Rωt
第一章 质点运动学 7
§1-2 质点的位移、速度和加速度 质点的位移、
一、位移
描述质点位置变化的物理量 几何描述： 几何描述： PQ 数学描述： 数学描述： r
= r ( t + t ) r ( t )
r( t )
P S Q r
r ( t + t )
r
讨论 (1) 位移是矢量（有大小，有方向） 位移是矢量（有大小，有方向） 位移不同于路程 r ≠ S (2) 位移与坐标选取无关 (3) 由质点的始末位置确定， 由质点的始末位置确定， 与中间运动过程无关 (4) 分清 r 与r 的区别
质点运动学
et (t)
A
Δs
Δθ
Δθ
Δ et
o
B
et (t + Δt)
dθ 1 en (t) = v dt ρ o' det dθ 1 v =v en = v en 切向加速度分量 an dt dt ρ 2 dv v2 d s 1 ds 2 a= et + en = et + ( ) en 2 dt ρ dt ρ dt
ds v = vet = et dt
dv d(vet ) a= = dt dt det dv = et + v dt dt
反映速度大小的变化
反映速度方向的变化
dv d s 切向加速度分量： a t = = 2 dt dt
2
det v ? dt
t时间内： Δet
Δθ 大小： Δet = 2 et sin( ) 2 当 Δt 0 有 Δθ 0 Δθ 大小： Δet = 2 Δθ 2
lim Δr = dr ——元位移 记： Δ t 0
Δt 0
lim Δr = dr ——元位移的大小
A B
Δr
3、Δ r 与Δ r 的区别
——标量 = rB Δr = r B -r A A
Δr Δr
（三角形的两边之差小于第三边）
rA
o
rB
二、速度
7/8班
A
Δr
et
Δs
Δr 平均速度： v = Δt Δs 平均速率： v = Δt
2
2
2
极坐标系：
随时间变化 横向单位矢量 径向单位矢量
eθ
极径
er
极角
极点
r θ
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dv d 6t 2 8t a 12t 8 ms 2 dt dt (2) t=2s时 t=3s时
dx d 2t 3 4t 2 8 v 6t 2 8t ms 1 dt dt
第一类问题
v 6 22 8 2 40m s 1 a 12 2 8 32m s 2
ˆ4ˆ , a 6i j m s 2 ˆ m . 求:（1）在任意时刻 在t=0时,其速度为零,位置矢 r0 10i
例题6 一质点具有恒定加速度
的速度和位置矢量；（2）质点在oxy平面上的轨迹方程。 解：(1)由加速度定义式,根据初始条件t0=0时, vo=0, 积分可得：
又由
v
2ˆ ˆ ˆ r xi yj 4t i (2t 3) ˆ j t 0时， r0 3 ˆ j ˆ5ˆ t 1时， r1 4i j
2
第一类问题
此为抛物线方程，即质点的运动轨迹为抛物线。
第一秒内的位移为
ˆ5ˆ ˆ2ˆ r r1 r0 4i j 3ˆ j 4i j
v 78 40 a 38m s 2 t 3 2
例题5 一质点的运动方程为 x = 4t , y = 2t + 3,其中x和y 的单位 是米，t 的单位是秒。试求：（1）运动轨迹；（2）第一秒内的 位移；（3）t = 0 和 t = 1两时刻质点的速度和加速度。
解：（1）由运动方程 x = 4t 2 y = 2t + 3 消去参数 t 得 x = ( y 3)2 （2）先将运动方程写成位置矢量形式
ˆ (2t 3) ˆ r 4t i j
2
（3）由速度及加速度定义
dr dx ˆ dy ˆ ˆ2ˆ 速度 v i j 8ti j dt dt dt
dv ˆ 加速度 a 8i dt
ˆ 所以 t 0时， v 2 ˆ j, a 8i ˆ2ˆ ˆ t 1时， v 8i j, a 8i
1 2ˆ ˆ 例题1 平抛运动的运动方程 r v0 ti gt j 2 x v0t 解：先写出标量方程 1 2 y gt 2 g 2 消去时间t得到轨迹方程为 y 2 x 2v0
三 位移和路程 简称位移, 由始点到终点的有向线段AB, 1 位移矢量 是描述质点位置变化的物理量。
(2)由上述结果可得质点运动方程的分量式,即
x 10 3t
2
y 2t
2
消去参数t,可得运动的轨迹方程
3 y 2 x 20
这是一个直线方程.
例题7 设某质点沿x轴运动，在t=0时的速度为v0，其加速度与
速度的大小成正比而方向相反，比例系数为k(k>0)，试求速度 随时间变化的关系式。 第二类问题 解：由题意及加速度的定义式，可知 dv a kv 加速度与速度的方向相反 dt
•提出相对性原理、惯性原理、抛体的 运动定律、摆振动的等时性等。 •伽利略捍卫哥白尼日心说。 •《关于两门新科学的对话和数学证明 对话集》一书，总结了他的科学思想 以及在物理学和天文学方面的研究成 果。
意大利物理学家和天 文学家，实验物理学 的先驱者。
1 平均加速度
v v ( t t ) v ( t ) a t t
x 98 40 58m s 1 (3) v t 3 2
x 2 23 4 22 8 40m
x 2 33 4 32 8 98m
v 6 32 8 3 78m s 1 a 12 3 8 44m s 2
大小 v v
v v v
2 x 2 y
2 z
方向: 沿着运动轨迹的切线方向.
瞬时性，相对性
dx vx dt dy vy dt dz vz dt
3 平均速率
4 瞬时速率
s v t
ds s v lim t 0 t dt
r (t )
A
ˆ
r
s
B
5 瞬时速度和瞬时速率的关系
2 2
2
有限位移大小与路程不相等，无限小位移大小与路程相等！
四 速度和速率 1 平均速度
r v t
r (t )
A
r
s
B
方向 与位移方向相同
O
r (t t )
2 瞬时速度
亦称即时速度 r r (t t ) r (t ) dr lim lim 定义 v t 0 t t t 0 dt dx ˆ dy ˆ dz ˆ ˆ v i j k vx iˆ vy ˆ j vz k dt dt dt
dr ds dr v ˆ v dt dt ds
O
r (t t )
ˆ dr ds —(A点的)切向单位矢量
瞬时速率等于瞬时速度的大小.
v v
2 3 例题2 有一质点作直线运动，运动方程为 x 4.5t 2t (SI )
则第2秒内的平均速度为 为 ，第2秒内的路程为
0
x x(2) x(1) 0.5 m s 1 t 2 1
1.5Leabharlann 3ˆ ˆ r ti t j (SI ) 例题3 一质点在x-y平面内运动，其运动方程为 , 求： （1）第2秒内的平均速度；（2）第2秒末的瞬间速度； （3）第2秒内的路程。 ˆ 8ˆ ˆ ˆ 解：（1） r (1) i r (2) 2i j j
0
ˆ4ˆ dv adt (6i j )dt
0 0
t
t
dr ˆ 及初始条件t=0时, r0 10i v dt r t t ˆ 4tj ˆ)dt dr vdt (6ti
ˆ 4tj ˆ v 6ti
第二类问题
,得
r0
0
0
ˆ 2t 2 ˆ r (10 3t 2 )i j
s
12
ds dr
dx dy
2
2
2
1
1 3t
2 2
dt 7.0825m
此处的积分要借助于数学软件(如MATLAB等)。 MATLAB算法： syms t; int((9*t^4 + 1)^(1/2), t, 1, 2)
五 加速度
伽利略(1564—1642)
Classical Mechanics
(牛顿力学)
经典力学篇
1 经典力学的总框架 运动学 力学 动力学 牛顿 (力的瞬时效应) 定律 动量守恒定律
(力的时间积累效应)
静力学 2 研究对象分类
守恒 定律
机械能守恒定律
(力的空间积累效应)
角动量守恒定律
(力的转动效应)
质点(系)-- 质点力学 刚 体 -- 刚体力学 3 数学工具： 微积分和矢量
ˆ i
x
y
特性
瞬时性:不同时刻,质点的位矢一般不同. 相对性:相对于不同的参照系, 位矢不同.
2 运动方程 位置矢量是时间的函数
ˆ ----矢量形式 ˆ y(t ) ˆ r＝r (t ) x(t )i j z(t )k x x(t ) 运动方程(函数) y y (t ) ----标量形式 z z (t )
第1章 质点运动学
Kinematics of Particles
•二类运动学问题 •三个概念 参考系、坐标系、质点
•四个物理量 位置、位移、速度、加速度矢量
1.1 质点运动的描述
一 参考系 坐标系 质点 描述物体的运动的方法： • 首先要选择参照系; • 在参照系建立一个坐标系; • 为参照系设置校准的时钟; • 建立物体的质点模型. □
z A
v (t )
v (t ) r (t )
v
v (t t )
B
方向同速度增量的方向 2 瞬时加速度
y v dv d 2 r 0 a lim 2 t 0 t dt dt x dv y dv dvz x ˆ ˆ ˆ , ay , az a a x i a y j az k a x dt dt dt 2 2 2 d x d y d z 2 2 2 ax 2 , a y 2 , az 2 大小 a ax a y az dt dt dt
；第2秒末的瞬间速度 。
解：一维运动用标量表示即可. 将t=1和t=2分别代入运动方程，可求得在第1s和第2s时物 体的位置，分别为： x(1) 4.5 12 2 13 2.5 x(2) 4.5 22 2 23 2.0
v
1 2
v(2)
s
12
dx 9t 6t 2 6 m s 1 ←负号：沿着x轴负向。 dt ds dx dx dx 注意：t>1.5s时， t 01.5 t 1.52 质点反向运动。 1.5 2 2 9t 6t dt 6t 2 9t dt 2.25m
二 位置矢量
运动方程(函数)
1 位置矢量 简称位矢，从原点O到质点所在的位置 P点的有向线段. z
ˆ ˆ yj ˆ zk 直角坐标系 r＝xi
大小
r
x y z
2 2
2
ˆ k
O
r
P (x,y,z)
方向
cos x r y cos r cos z r
ˆ j
r r (2) r (1) ˆ 第2秒内的平均速度为 v i 7ˆ j m s 1 t t2 t1 dr ˆ ˆ 12 ˆ v (2) i 3t 2 ˆ j i j m s 1 （ 2） dt
（3） 将运动方程写成分量形式为 x=t, y=t3. 则有 dx=dt, dy = 3t2dt. 则路程为