Transcript 没有幻灯片标题 - 中国科学技术大学
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杨维纮
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第一章 质点运动学
§1.1
引言
§1.2
质点和参考系
§1.3
速度与加速度
§1.4
直角坐标系中运动的描述
§1.5
自然坐标系中运动的描述
§1.6
平面极坐标中的运动描述
§1.7
相对运动
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§1.1
引 言
1.1.1
力学的研究对象
1.1.2
时间、空间和牛顿力学的绝对量
1.1.3
宇宙的层次和数量级
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§1.1
引 言
1.1.1 力学的研究对象
运动学: 研究物体运动的几何性质,而不研究引起物
体运动的原因。(位移,速度,加速度,轨
迹等的描述和计算)
动力学: 研究受力物体的运动变化与作用力之间的
关系。(运动微分方程的建立和求解)
静力学: 研究物体在力系作用下的平衡规律,同时
也研究力的一般性质和力系的简化方法等。
(平衡方程的应用和受力分析)
经典力学适用范围:弱引力场中宏观物体的低速运动。
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1.1.2 时间、空间和牛顿力学的绝对量
时间 :
时间用以表述事物之间的顺序
空间 :
空间用以表述事件相互之间的位形
在牛顿力学中,时间间隔和空间间隔(长度)被认为
是绝对量,是独立于所研究对象(物体)和运动而存
在的客观实在。时间的流逝与空间位置无关,空间为
欧几里德几何空间。而近代物理理论对此是否定的,
这个问题将在相对论一章中详细讨论。
没有满意的“严格”的理论定义,并不妨碍时间和空间二者
在物理中的使用,因为,物理学是一门基于实验的科学,在
考查物理学的概念或物理量的时候,首先应当注意它与实验
之间是否有明确的、不含糊的关系。对于时间和空间这两个
基本概念来说,首要的问题似不是去追究它们的“纯粹”定
义,而是应当了解它们是怎样量度的。
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时间的测量 :
任何具有重复性的过程或现象,都可以作为测量时间
的一种钟 (例如,太阳的升没表示天;四季的循环
称作年;月亮的盈亏是农历的月。其他的循环过程,
如双星的旋转、人体的脉搏、吊灯的摆动、分子的振
动等等,也都可以用作测时的工具)
真太阳日:太阳视面中心连续两次出现在地面某处正
南方所需的时间
平太阳日:一年之内全部真太阳日的平均
秒:
一个平均太阳日的1/86,400,这种以地球
自转为基础的计时标准叫世界时(UT)
1956年起改用以地球公转周期为基准的时间标准,
称为历书时(ET),并规定秒为1900年回归年的
1/31,556,925.9747
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时间的测量 :
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自从人类发明机械计时的时钟以来,400年来时间计
量准确度的提高是惊人的,现代的原子钟的计时误差
已小于 10 10 秒/天。目前,时间是测量得最准确的
一个基本量
1967年10月在第十三届国际度量衡会议上规定:
位于海平面上的铯原子的基态的两个超精细能级
在零磁场中跃迁辐射的周期T与1秒的关系为
1秒 = 9,192,631,770 T
这样的时间标准称为原子时
用铯钟作为计时标准,误差若按一个周期计算,测量
精度要比秒表作时计提高 10 10 倍,即误差下降到秒
表的 10 10 之一
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空间的测量 :
长度是空间的一个基本性质
对长度的测量,在日常的范围中,是用各种各样
的尺,如米尺、千分尺、螺旋测微计等等。对于不能
用尺直接加以测量的小尺度,可以求助于光学方法。
在精密机床上常有光学测量装置;测定胰岛素中原子
的位置,是用调光衍射方法。对于大的尺度,也不能
直接用尺去测量,也要求助于光。测量月亮与地球的
距离可以用激光测距的方法,测量一些不太远的恒星,
可以用三角学方法。至于银河系之外的遥远天体的距
离,同样是用它们发光的一些特征来测定的。
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空间的测量 :
米: 规定为通过巴黎的自北极至赤道的子午线长度
的1/10,000,000
1875年起,决定改用米原器(截面呈“X”形的
铂铱合金尺)作为长度标准。由于这样规定的标准米
不易复制,精度又不高
1960年在第十一届国际计量大会上规定:
1米等于氪86原子的和能级之间跃迁时所对应的辐
射(橙色谱线)在真空中的波长λ的1,650,763.73倍。
这样规定的米叫原子米
1983年10月在第十七届国际计量大会上规定:
米是光在真空中在1/299,792,458秒的时间间隔内所
传播的路程长度
光速:c = 299,792,458米/秒
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
1. 空间尺度:从极小到极大
最遥远星系
银河系
邻近恒星
太阳
地球
人类
细胞
原子
质子
夸克
1026 m
1020 m
1010 m
100 m
10-10 m
10-20 m
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
天体空间尺度
地球直径
太阳直径
太阳系范围
最近的恒星
银河系范围
最近的星系
富星系团
可测宇宙
(1 光年~1016 米)
-9
1.3×10 光年
-7
1.47×10 光年
-3
1.2×10 光年
4.3 光年
105 光年
6
10 光年
7
10 光年
10
1.5×10 光年
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
星系的直径大约是 1021米
人造物体和自然物体的电子显
微镜照片,图中垂线是20纳米
的聚合物纤维,有短尾的物体
是T-4噬菌病毒
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
一些典型的时间尺度
宇宙年龄
地球年龄
太阳绕银河系中心的轨道周期
古人类的出现
钚的半衰期
人的寿命
地球的公转周期(1年)
地球的自转周期(1天)
人的脉搏
人的神经系统反应时间
可听见的最高频率的声音周期
μ子的寿命
典型的分子转动周期
实验室能产生的最短光脉冲周期
π介子的半衰期
共振粒子寿命
从宇宙诞生到已知的物理定律可用的时间
6×1017 秒
1.5×1017 秒
8×1015 秒
6×1013 秒
8×1011 秒
2×109 秒
3×107 秒
8.6×104 秒
1秒
1×10-1 秒
5×10-5 秒
2×10-6 秒
1×10-12 秒
1×10-15 秒
2×10-16 秒
1×10-25 秒
1×10-43 秒
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
我们研究的对象跨越如此巨大的数量级范围,
单一的单位(如秒、米),用起来就很不方便了,
通常的做法是采用一些词冠来代表一个单位的十进
倍数或十进分数,如千(kilo)代表倍数103,厘
(centi)代表分数10-2,等等。在国际单位制中,原
来从10-18到1018的36个数量级之间规定了16个词冠,
最近又建议在大、小两头再各增加两个,共20个词
冠,一并列在下表1.1中。表内中译名在方括弧里的
字可以省略。这些词冠与各种物理量的单位组合在
一起,构成尺度相差甚为悬殊的大小各种单位,在
现代物理学中广泛使用着。其中有的已化作物理学
名词的一部分,如纳米(nm)结构、飞秒(fs)光
谱等,成为一些新兴技术的标志和象征。
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
国际单位制所用的词冠
数量级
英文名
缩写符号
中译名
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
10-21
10-24
deci
centi
milli
micro
nano
pico
femto
atto
zepto
yocto
d
c
m
μ
n
p
f
a
z
y
分
厘
毫
微
纳[诺]
皮[可]
飞[母托]
阿[托]
仄[普托]
幼[克托]
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
国际单位制所用的词冠(续)
数量级
英文名
缩写符号
中译名
10
102
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
deca
hecto
kilo
mega
giga
tera
peta
exa
zeta
yota
da
h
k
M
G
T
P
E
Z
Y
十
百
千
兆
吉[咖]
太[拉]
拍[它]
艾[克萨]
泽[塔]
尤[塔]
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
最长的时间和最短的时间
目前,物理学中涉及的最长的时间是1038 秒,它
是质子寿命的下限。宇宙的年龄大约是6x1017秒,即
200亿年。牛顿力学所涉及的时间尺度大约是10-5 ~
1015秒,即从声振动的周期到太阳绕银河中心转动的
周期。粒子物理的时间尺度都很小,μ子的寿命是
2x10-6秒,已经算是极长寿的了,最短寿的是一些共
振粒子,它们的寿命只约有10-24秒,目前物理学中涉
及的最小的时间是10-43秒,称为普朗克时间。普朗克
时间被认为是最小的时间,比普朗克时间还要小的范
围内,时间的概念可能就不再适用了。
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1.1.3 宇宙的层次和数量级
最大的长度和最小的长度
目前,物理学中涉及的最大长度是1028米,它是
宇宙曲率半径的下限;弱电统一的特征长度为10-20米;
普朗克长度约为10-35米,被认为是最小的长度,意思
是说,在比普朗克长度更小的范围内,长度的概念可
能就不再适用了。
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§1.2
质点和参考系
1.2.1
质点和参考系
1.2.2
轨迹和运动方程
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§1.2
质点和参考系
1.2.1 质点和参考系
质点 :
参考物 :
突出了“物体具有质量”、“物体占有位
置”
为了研究运动,固定坐标系的物体
参考坐标系 : 固定在参考物上的坐标架(简称参考系)
参考系 = 参考物 + 坐标架 + 钟
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1.2.1 质点和参考系
质点 的位置矢量 r(简
称位矢)的大小为OP
的长度,而方向从O指
向P。用这个矢量就完
全确定了质点P的位置
r xi yj zk
其中i,j,k分别分别表示空间的三个坐标方向
( x , y , z 轴)上的单位矢量,称为坐标基矢
参考系的选择是任意的,对于同一个质点的位置,用
不同参考系来描写时,则具有不同的位置矢量。就这
一点,我们可以说,位置是具有相对性的物理量。
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1.2.2 轨迹和运动方程
质点在运动中所经过的各点在空间连成一条曲线,这
条曲线我们称之为轨迹。
轨迹可以利用曲线方程来描写。
譬如,曲线方程:
x2 y2 R2
z 0
就描写了在平面上半径为R的圆周运动的轨迹。
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一般曲线方程可以表示成:
f1 ( x , y , z ) 0
f 2 ( x, y, z ) 0
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1.2.2 轨迹和运动方程
在历史上很长一个时期内,人们只注重轨迹形状
的研究,例如行星走圆形,落体走直线。我们知道,
质点运动是位置的变化,它涉及空间和时间两方面。
轨迹形状只反映了运动的空间方面的性质,它对于研
究运动还是不够的,因为轨迹还没有把质点运动的情
况全部表述出来,特别是没有表述它的动态性质。百
米赛跑时,所有运动员的轨迹都是直线,但他们各自
的运动情况并不全同,否则就分不出名次了。我们不
仅应该知道轨迹,而且还应知道质点经过轨迹上各点
的时刻。运动是在时间、空间里的现象,关键是把时
间描写和空间描写联系起来。直到牛顿之前不久,才
特别强调了这一点。
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1.2.2 轨迹和运动方程
我们知道,可以利用矢量方法来描写质点 M 的位置。
质点的位置关于时间的函数称为运动方程或运动解,
知道了这个方程等于知道了此质点运动的一切情况。
质点的运动方程可以表示成:
r r (t )
当然,也可以用坐标系中
三个坐标分量来描述运动
x x (t )
y y (t )
z z (t )
并有关系式 r ( t ) x ( t ) i y ( t ) j z ( t ) k
从运动方程中消去时间 t 即得到轨迹的方程
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1.2.2 轨迹和运动方程
应当指出,同一物体,相对于不同的参考系,显示出
不同的运动。风洞中的模型,相对于地面是静止的,相对
于空气(风),模型却在以高速度飞行。车刀,相对于车
床的床座,仅仅作直线运动;相对于工件,刀刃却在作螺
旋运动。所以,研究运动,必须首先选定参考系,由于运
动方程既包含质点的位矢,也包含时间,因而对于不同的
坐标原点与时间原点的选取,运动方程的形式将有所不同。
在日常生活中,我们习惯于认为地面是静止的,在讲
到“静止”、“运动”的时候总是对地面而言的。可是,
大家知道,地球以大约30公里/秒的速度绕太阳公转,根
本不是静止的。宇宙间没有一个绝对静止的物体。静止和
运动都是相对的,不存在“绝对静止”的参考系,只存在
描述某个运动较为方便的参考系。
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§1.3
速度与加速度
1.3.1
位移、路程与速度
1.3.2
加速度
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§1.3
速度与加速度
1.3.1 位移、路程与速度
1. 直线运动
质点在t1到t2时间间隔内的平均
速度
v t1 t 2
x ( t 2 ) x ( t1 )
t 2 t1
瞬时速度(简称速度)定义为:
杨
维
纮
v (t )
lim
t 0
x (t t ) x (t )
t
lim
t 0
x
t
dx ( t )
dt
通常称平均速度的绝对值为平均速率。类似地,瞬时
速度的绝对值被称为速率。
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1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
质点在 t1 = t 到 t2 = t +△t 时
间间隔内的平均速度
v t1 t 2
r ( t 2 ) r ( t1 )
t 2 t1
r
t
这个平均速度的定义表明,平
均速度是矢量。
r r ( t 2 ) r ( t1 )
是在时间间隔 △t 内质点位置矢量的改变量,称为位
移矢量(简称位移)
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1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
由右图很清楚知道,在t1到t2
时间间隔内质点的运动方向并非
总是沿着1到2的方向的,而是先
从1向4、3方向运动,然后从3向2
方向运动,这些运动方向并不平
行于 1到2的方向。
所以平均速度所指的方向,只是质点真实运动方向的平均。
也就是说,平均速度不但对于运动快慢的描写是粗略的,而且对
于运动方向的描写也是粗略的。但当△t减小时,矢量相继从1,
2变到1,3,变到1,4……,在△t→0的极限情况下, △r的方
向趋于轨迹曲线在点 1的切线方向,且位移与路程两者的大小近
似相等。这样,我们就得到一个结论:瞬时速度的方向,就是轨
迹曲线在相应点的切线方向;瞬时速度的大小,就是时平均速率
的大小。
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1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
路程函数s(t):质点从 t1 =0 到
t2 = t 时刻所走过的路程长度
质点从 t1 = t 到 t2 = t +△t 时
间间隔内所走过的路程
s s ( t 2 ) s ( t1 )
由此可以定义平均速率:
w t1 t 2
s ( t 2 ) s ( t1 )
t 2 t1
s
t
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1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
由右图可以看出,位移△r与
路程△s有如下的异同点:
(1) 位移与路程不同于位矢,
它们与坐标原点的选取无关。
(2) 路程△s是由M到M′的曲线的
实际长度,是一个标量。而位移
是由始点至终点的有向线段,是
一个矢量。而且位移的大小通常
也不等于路程。
(3) 位移不反映初位置到终位置中间的细节,也不反
映初位置或终位置本身,仅反映两者相对位置的改变。
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1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
瞬时速度(简称速度)定义为:
v (t )
lim
r (t t ) r (t )
t 0
t
lim
t 0
r
t
dr
dt
速度的数值大小(绝对值)称
为速率,由上式知:
v (t ) | v (t ) |
lim
t 0
r
t
lim
t 0
| r |
t
lim
t 0
s
t
ds ( t )
dt
在国际单位制中,速度的单位是米/秒,常用的单位还
有厘米/秒、千米/小时等
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1.3.2 加速度
1. 直线运动
质点在 t1 = t 到 t2 = t +△t 时间间隔内的平均加速度
a t t t
v (t t ) v (t )
t
瞬时加速度(简称加速度)定义为:
a (t )
lim
t 0
v (t t ) v (t )
t
lim
t 0
v
t
dv ( t )
dt
2
d x (t )
dt
2
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1.3.2 加速度
2. 曲线运动
质点在 t1 = t 到 t2 = t +△t 时间
间隔内的平均加速度
a t t t
v
t
v (t t ) v (t )
t
瞬时加速度(简称加速度)定义为:
a (t )
lim
t 0
v (t t ) v (t )
t
lim
t 0
v
t
d v (t )
dt
2
d r (t )
dt
2
在国际单位制中,加速度的单位是米/秒2,常用的
单位还有厘米/秒2 等。
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§1.3
速度与加速度
小结:
速度、加速度是矢量,它具有矢量性
质点做变速运动中各个时刻的速度、加速度不一
定相同,它具有瞬时性
选取不同的参考系,质点的速度和加速度是不
同的,它具有相对性
从运动学本身来考虑,没有足够的理由说明,为什
么我们应当到此为止,而不去讨论加加速度、加加
加速度……。其中的原因在动力学,学过动力学后,
我们将看到,对力学的讨论几乎全部是基于位置矢
量、速度和加速度这三个量。
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§1.4
直角坐标系中运动的描述
1.4.1
直线运动
1.4.2
曲线运动
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§1.4
1.4.1 直线运动
运动方程:
平均速度:
x x (t )
v t0 t
x (t ) x (t 0 )
瞬时速度:
v (t )
lim
t 0
杨
维
纮
直角坐标系中运动的描述
x (t t ) x (t )
t
t t0
dx ( t )
dt
右图表示的是质点做直线运动时的位置、
速度和加速度关于时间的图形。由图上可
见,当位置最大时,速度为零(此时曲线
的斜率为零),同样当速度最大时,其加
速度为零。
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1.4.1 直线运动
瞬时速率:
w ( t ) | v ( t ) |
平均加速度:
a t0 t
瞬时加速度:
ds ( t )
dt
a (t )
lim
t 0
v (t ) v (t 0 )
t t0
v (t t ) v (t )
t
dv ( t )
dt
2
d x (t )
dt
2
由此可见,如知道运动方程,则速度、加速度等皆可求得。
故古希腊自然哲学家亚里士多德 (Aristotle, 384~322 B.C.) 认
为:轨迹是最基本的,速度次之(当时并不知道加速度)。
这种方法的特点是先研究运动的大的整体方面,往往从对称
性入手,然后再涉及局部细节。就人类的认识过程来看,的
确是先看到轨迹的形状,然后有了运动快慢的概念,最后认
识到速度的变化,即加速度。
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1.4.1 直线运动
运动学的反问题
如果已知质点运动的加速度 : a a (t )
若再知道 t = 0 时刻质点的速度和位置 :
v (t 0 ) v 0
可以完全描述运动。
a ( t ) dv / dt
利用:
可以解得:
杨
维
纮
x (t 0 ) x 0
v (t ) v 0
x (t ) x 0
s (t ) s 0
v ( t ) dx / dt
t
a ( t ) d t
0
t
v ( t ) d t
0
t
0
| v ( t ) | d t
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中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
1.4.1 直线运动
牛顿认为:瞬时情况更基本,不要先探讨物体运动的
整体方面,而是先弄清局部细节,再积分得到整体性质。
这种方法,是现代物理学的一个基本方法,至今在大多数
情况下,物理学家们都采用牛顿这种方法。
从哲学上看,本小节处理运动问题的两种方法(正问
题和反问题)反映了人们的两种不同信念:一种认为整体
的大的方面简单些,因此,主张从大到小的研究顺序;另
一种认为局部的单元过程更简单些,因此,主张从小到大
的研究顺序。现在看来,这两种“简单性”可能是分不开
的,虽然在大多数情况下,我们偏爱第二种研究顺序,但
在某些局部过程不得要领的情况下,第一种研究顺序也有
其独到之处。在第四、五章我们再讨论这个问题。
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中
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技
术
大
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杨
维
纮
1.4.2 曲线运动
1. 运动方程
r (t ) x (t ) i y (t ) j z (t )k
x x (t )
y y (t )
z z (t )
v (t ) v x (t ) i v y (t ) j v z (t )k
2. 速度
分量式:
v x (t )
dx ( t )
v y (t )
x ( t )
dt
dy ( t )
y ( t )
dt
速率:
2
2
2
ds ( t ) dx
dy
dz
v (t )
dt
dt
dt
dt
其中:
ds dx dy dz
2
2
2
2
1/ 2
v z (t )
dz ( t )
dt
z ( t )
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中
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大
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1.4.2 曲线运动
3. 加速度
a (t ) a x (t ) i a y (t ) j a z (t )k
分量式:
2
a x (t )
d x (t )
a y (t )
d y (t )
a z (t )
d z (t )
x( t )
dt
2
杨
维
纮
y( t )
dt
2
dt
z( t )
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中
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杨
维
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1.4.2 曲线运动
运动的重要性质:
运动的独立性
运动的独立性 的实验演示
由速度、加速度的分量表达式可以看到,描写一个质
点的复杂的曲线运动时,其方向的坐标、速度和加速
度与其它方向的坐标、速度和加速度无关;对方向和
方向也有这种性质,即三个方向相互无关。这种性质
称为运动的独立性。
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1.4.2 曲线运动
运动学的反问题
a ( t ), v ( t 0 ), r ( t 0 )
如果已知:
可以完全描述运动。
速度: v ( t ) v 0
位矢: r ( t ) r0
t
分量式:
v (t ) v
0x
x
v y (t ) v 0 y
v z (t ) v 0 z
a ( t ) d t
t0
t
v ( t ) d t
t0
路程:
ds ( t )
v (t ) | v (t ) |
dt
s (t ) s (t 0 )
t
t0
v x (t ) v y (t ) v z (t )
2
2
2
v x ( t ) v y ( t ) v y ( t ) d t
2
2
2
t
t0
t
t0
t
t0
a x ( t ) d t
a y ( t ) d t
a z ( t ) d t
x ( t ) x t v ( t ) d t
0
t0 x
t
y ( t ) y 0 t v y ( t ) d t
0
t
z ( t ) z 0 v z ( t ) d t
t0
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§1.5
自然坐标系中运动的描述
1.5.1
切向加速度和法向加速度
1.5.2
自然坐标系
1.5.3
圆周运动
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§1.5
自然坐标系中运动的描述
有时直角坐标系不是最好的坐标系,这是因为:
若我们研究的运动是受约束的运动,比如火车的行驶(它不能
离开铁轨),或穿在弯曲钢丝上的小环的运动等。这类运动往
往轨迹的形状是给定的,由于约束力的参与(本章中我们不讨
论力,仅研究运动),加速度往往与轨迹上点的位置有关(有
时还与质点在该点速度有关),此时运动的独立性往往失效。
沿轨迹的曲线坐标系有可能是更好的坐标系。
即使我们研究运动的独立性有效的运动,使用直角坐标系使得
数学计算简单了,但我们对其中的一些物理细节却并不很清楚。
比如,我们知道速度的方向是沿着轨迹上质点所在位置的切线
方向,但加速度的方向如何?加速度的方向对速度又有何影响?
于是,我们需要引入一种新的坐标系:自然坐标系。
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§1.5
自然坐标系中运动的描述
1.5.1 切向加速度和法向加速度
我们现在考虑加速度的方向。对于沿
直线的运动,只有一个方向,故速度与加
速度的方向都与轨迹的方向平行(对于减
速运动,加速度的方向与运动方向相反,
我们仍视加速度与速度方向平行,有时也
称其为反平行),如图1.11(a);对于匀速
圆周运动,加速度与速度方向垂直,如图
1.11(b);而对于一般的曲线运动,加速度
的方向比较复杂,它往往与速度的方向即
不平行又不垂直,如图1.11(c)。
由于一维的直线运动非常简单,我们下面的讨论认为质
点的运动不是直线运动。
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维
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
速度矢量:v ( t ) v ( t ) vˆ ( t )
其中 vˆ ( t ) 是沿着轨道切向,
指向运动方向的单位矢量。
v(t)没有法向分量。
加速度 :
a (t )
d v (t )
dt
v (t )
t
lim
t
t
t
t 0
v (t t ) v (t )
1
v (t )
v ( t t ) vˆ ( t t ) v ( t ) vˆ ( t )
t
v ( t )vˆ ( t t ) vˆ ( t ) v ( t t ) v ( t ) vˆ ( t t )
a (t )
lim
t 0
v1
t
lim
t 0
v 2
t
v1
t
v 2
t
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
lim
t 0
v 2
t
lim
t 0
v (t t ) v (t )
t
该项沿轨迹的切向,
也即是速度的方向,
我们称这一项为切向
加速度。
lim
t 0
vˆ ( t t )
dv ( t )
dt
vˆ ( t )
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
如图知,求瞬时加速度
至少需要在轨迹上取三个点。
设我们取三个点P、Q、
Q1来求加速度。
在求加速度的过程中,每次只取三个点,而不在一条直线上
的三个点可以唯一确定一个平面(我们已假定了质点的运动不是
直线运动),在取极限的过程中,这三个点所确定的平面也会随
之变化,最后会趋于一个极限的平面。我们认为这个极限平面与
点附近的轨迹的关系最为密切,故称该极限平面为密切平面(简
称密切面)。不仅如此,不在一条直线上的三个点还可以唯一确
定一个圆,于是,在我们的密切面上还有一个极限圆,我们认为
这个极限圆与点附近的轨迹的弯曲情况最为密切,故称该极限圆
为密切圆,又称曲率圆,这个圆的半经称为曲率半径。
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
lim
v1
t 0
lim
t
t 0
v (t )
v (t )
lim
vˆ ( t t ) vˆ ( t )
t
t 0
t
nˆ
lim
t 0
v s
R t
2
nˆ
v (t )
nˆ ( t )
R (t )
于是:
a ( t ) vˆ ( t )
dv ( t )
2
nˆ ( t )
dt
v (t )
R (t )
a t vˆ a n nˆ
其中:
杨
维
纮
a t a vˆ
dv ( t )
a n a nˆ
v (t )
切向加速度,表示速度大小的变化
dt
2
R (t )
法向加速度,表示速度方向的变化
R (t )
曲率半径
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
加速度:
a ( t ) vˆ ( t )
2
nˆ ( t )
dt
v (t )
a t vˆ a n nˆ
R (t )
加速度的大小(绝对值):
2
a (t )
a a
2
t
2
n
2
v
dv
dt
R
2
d s
2
dt
2
2
1 ds
R dt
如果运动方程 已知:r r (t )
可以求得:
杨
维
纮
dv ( t )
v (t ), a (t )
可得轨迹上任意一点的曲率半径为:
3
R (t )
v (t )
| a (t ) v (t ) |
2
2
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
如果以弧长 s 为坐标,则 :
v
ds
at
dt
dv
2
dt
d s
dt
2
可得:
v v0
s s0
t
t0
t
t0
a t dt
vdt
t
t0
v
0
t
t0
a t dt dt
质点的运动在形式上与直线运动相仿,所不同的
是,质点走的实际上是曲线。
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1.5.2 自然坐标系
eˆ 1 vˆ , eˆ 2 nˆ
eˆ 3 vˆ nˆ bˆ
这样构成的正
交坐标系称为自然
坐标系(有的书上
称为内禀坐标系、
本性坐标系、路径
坐标系等)
当质点作空间运动时,它的速度向量位于轨迹上
的切线方向,而加速度向量位于该点的密切平面上。
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1.5.3 圆周运动
1.
R (t ) R 0
2. 轨道在一个平面上
称这样的运动为圆周运动。
若同时有
v (t ) v 0
常数
则称为匀速圆周运动。
v ( t ) v ( t ) vˆ ( t ) ,
a (t )
dv ( t )
vˆ ( t ) v ( t )
dt
vˆ ( t ) rˆ ( t )
d vˆ ( t )
dt
dv ( t )
a t dt
2
v (t )
an
R0
dv ( t )
dt
2
vˆ ( t )
v (t )
R0
切向加速度
向心加速度
rˆ ( t ) a t vˆ ( t ) a n nˆ ( t )
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1.5.3 圆周运动
圆周运动的另一种描述法:
定义:角速度矢量 ω ,大
小为 d / dt ,方向按右手
系指向平行于转轴方向。
有了上述定义,则当
坐标原点选在转轴上时,如
图,有:
v
a
dr
dt
dv
dt
ω r
dω
dt
r ω
dr
dt
dω
dt
r ω (ω r )
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1.5.3 圆周运动
我们曾指出,对于一个物理对象,用什
么数学语言来描写,这并不是一件很自然的
事情,任何一种数学只是一种逻辑体系,一
种逻辑体系能不能正确地描写我们的物理对
象,是要认真研究的。物理上,寻找那种能
正确地、简洁地描写物理对象的数学是一个
难点。在这里,我们定义了角速度矢量,这
似乎很自然,它又有大小,又有方向。这里
要提醒大家注意的是,有大小又有方向的量
可不一定就是矢量,若要是矢量还必须满足
矢量的运算法则。
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维
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§1.6
平面极坐标中的运动描述
1.6.1
平面极坐标
1.6.2
位矢、速度和加速度
的极坐标表示
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§1.6
平面极坐标中的运动描述
1.6.1 平面极坐标
直角坐标系是最常用的坐标
系,但对有些运动,如圆周运动、
速度或加速度指向空间某固定点
的运动等,直角坐标就不那么方
便,而用平面极坐标(简称极坐
标)会有许多优点。
极坐标法(只对平面曲线运动时可用):
杨
维
纮
极坐标的建立:规定极点,极轴,极径,极角
极角:极径和极轴的夹角称为极角
两个单位矢量 rˆ 和 ˆ ,它们分别表示 r 增加的方向(称
为径向)和 增加的方向(称为横向)
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1.6.1 平面极坐标
d rˆ ( )
d
d ˆ ( )
d
ˆ
rˆ
在极坐标系中,质点的运动方程为:
r r ( t ),
从该方程组中消去时间t,可得轨迹方程为:
f (r , ) 0
(t )
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1.6.2 位矢、速度和加速度的极坐标表示
r ( t ) r ( t ) rˆ ( t )
r r rˆ r ˆ
v
lim
t 0
lim
t 0
r
t
r
t
rˆ lim r
t 0
ˆ
rrˆ r ˆ
t
前者叫径向速度,用vr表示;后
者叫横向速度,用 v 表示,即:
v v r rˆ v ˆ v r v
其中:
v r rrˆ ,
v r ˆ
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1.6.2 位矢、速度和加速度的极坐标表示
利用矢量的求导公式 推导:
由于: d rˆ d rˆ d ˆ
d dt
dt
可得:
v (t )
d r (t )
dt
a (t )
d v (t )
d
dt
dr ( t )
d ˆ d
rˆ
d dt
rˆ r ( t )
d rˆ
dt
( r rˆ r ˆ )
dt
d rˆ ( t )
dt
杨
维
纮
[ r ( t ) rˆ ]
dt
dt
r rˆ r
d
d ˆ
ˆ (t )
d
r ˆ r ˆ r
dt
r rˆ r ˆ r ˆ r ˆ r ( rˆ )
2
( r r ) rˆ ( 2 r r ) ˆ
2
a r ( r r ) rˆ
a ( 2 r r ) ˆ
径向加速度
横向加速度
dt
r rˆ r ˆ
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例:设质点在匀速转动(角速度为)的水平转盘上从
开始自中心出发以恆定的速率沿一半径运动,求质点
的轨迹、速度和加速度。
解:取质点运动所沿的半径在时的位置为极轴,得:
v r dr / dt u
v rd / dt r
r ut
t
2
a ( t ) r rˆ 2 u ˆ
轨迹方程:
r
u
此曲线为阿基米德螺线
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总结:
一般地,当加速度为常量(如重
力加速度),应选取直角坐标系;当
加速度总指向空间一点时(有心力情
形),选极坐标系较方便;当质点的
轨迹已知时(譬如限定在某曲线轨道
上滑动),则可选用自然坐标系。
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§1.7
相对运动
通常,把相对观察者静止的
参考系称为定参考系或静参考系,
把相对观察者运动的参考系称为
动参考系;把物体相对于动参考
系的运动称为相对运动(相应的
有相对速度和相对加速度),物
体相对静参考系的运动称为绝对
运动(相应的有绝对速度和绝对
加速度)。动参考系相对静参考
系的运动称为牵连运动(相应的
x
有牵连速度和牵连加速度)。
ω
z
P
y
r (t )
z
r (t )
O
r0 ( t )
O
K系
x
y
K 系
当相对作平动(如的坐标轴在运动中始终与的坐标轴保持平
行)时,牵连速度和牵连加速度不因物体在上的位置不同而异。
当相对转动时,牵连速度和牵连加速度均与物体的位置有关。为
了讨论问题简单起见,本节中动参考系和静参考系中的坐标系都
取直角坐标系。
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维
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§1.7
相对运动
1.7.1
动参考系作任意方式的平动
1.7.2
动参考系作任意方式的运动
Slide 67
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维
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1.7.1 动参考系作任意方式的平动
注意:平动不一定是直线运动!
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
对静参考系 K:
v (t )
d r (t )
a (t )
,
d v (t )
dt
v 0 (t )
d r0 ( t )
2
dt
,
dt
a 0 (t )
d r (t )
dt
d v 0 (t )
2
2
dt
d r0 ( t )
dt
2
对动参考系 K/:
v ( t )
d r ( t )
,
a ( t )
dt
d v ( t )
dt
d r ( t )
2
dt
2
于是,我们有:
v ( t ) v 0 ( t ) v ( t )
a ( t ) a 0 ( t ) a ( t )
Slide 68
中
国
科
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技
术
大
学
杨
维
纮
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
ω
z
P
P点在K系的坐标:
r (t ) x (t ) i y (t ) j z (t )k
y
r (t )
z
r (t )
O
P点在K/系的坐标:
r ( t ) x ( t ) i y ( t ) j z ( t ) k
r0 ( t )
O/点在K系的坐标、速度
和加速度:
r0 ( t ) x 0 ( t ) i y 0 ( t ) j z 0 ( t ) k
v 0 (t )
d r0 ( t )
a 0 (t )
,
dt
d v 0 (t )
dt
O
K系
x
y
K 系
x
2
d r0 ( t )
dt
2
现在,v (t ) 和 a ( t ) 不能象平动参考系那样称其为牵连速
度和牵连加速度
0
0
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中
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维
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
定义:
D
在静参考系K中对时间的微商称为绝对微商,符号: Dt
在动参考系K/中对时间的微商称为相对微商,符号:
d
dt
它们之间差别表现在对坐标系的坐标基矢作用时不同
绝对微商视 i , j, k 为变量,视 i , j, k
为常量;
相对微商视 i , j, k 为变量,视 i , j, k 为常量;
除此之外,对坐标值(它们是标量)作用时
全相同。
D
Dt
与
d
dt
完
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中
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
K 系:
v
Dr
Dv
, a
Dt
K/ 系:
v
d r
ω
Dt
, a
d t
d v
d t
而当K/系只转动而不平动
时,坐标基矢 i , j, k 都
在以角速度ω作圆周运动
Dt
ω i ,
D j
Dt
ω j ,
y
r (t )
z
当K/系只平动而不转动时,
坐标基矢 i , j, k 都是常
矢量,则 D / Dt 对它们作用
后结果为零;
D i
z
P
r (t )
O
r0 ( t )
O
y
K 系
x
D k
Dt
x
ω k
K系
Slide 71
中
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
ω
用D/Dt作用于K/系中任意
随时间t变化的矢量:
b b x ( t ) i b y ( t ) j b z ( t ) k
D b
Dt
D
D b y
i
Dt
y
r (t )
z
r (t )
O
( b x i b y j b z k )
Dt
D b x
b x
z
P
j
D b z
Dt
D i
d b x
Dt
b y
i
r0 ( t )
D j
Dt
d b y
b z
j
x
k
Dt
O
d b z
y
K 系
D k
Dt
K系
x
k b xω i b yω j b zω k
dt
dt
dt
d b
d
ω b
( b x i b y j b z k ) ω ( b x i b y j b z k )
dt
dt
D v d v
即: D b d b ω b D r d r ω r
ω v
Dt
d t
Dt
d t
Dt
d t
Slide 72
中
国
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技
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大
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
1. 相对于K/系静止的点,向心加速度
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
v0
D r0
, a0
Dt
,
Dω
Dt
v
d r
0
Dt
0, a
d v
d t
D r0
Dt
Dr
Dt
y
r (t )
z
r (t )
O
0
r0 ( t )
x
d t
f
z
P
由于P点相对于K/系静止,有:
v v
杨
维
纮
Dv 0
ω
D r
Dt
即牵连速度:
D
Dt
D r0
Dt
O
( r0 r )
d r
d t
y
K 系
x
ω r v 0 ω r
v v
f
v 0 ω r
K系
Slide 73
中
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大
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
1. 相对于K/系静止的点,向心加速度
v v
a a
f
v 0 ω r
f
D v
D v0
Dt
D
Dt
Dω
( v 0 ω r )
r ω
D r
Dt
Dt
Dt
d r
a0 ω (
ω r )
d t
a 0 ω (ω r )
杨
维
纮
若K/系的原点相对于K系静止,即:
v 0 0, a 0 0
a a f ω (ω r ) ω (ω r ) r
有:
由于牵连加速度的方向为由P点垂直指向转轴方向,
故称该加速度为向心加速度。
2
Slide 74
中
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大
学
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
2. 相对于K/系作匀速运动的点,科里奥利加速度
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
v0
, a0
Dt
Dv 0
,
Dt
Dω
v
d r
0
Dt
常量 , a
d t
Dr
y
r (t )
z
r (t )
O
0
r0 ( t )
x
d t
Dt
D r0
d v
z
P
P点相对于K/系作匀速运动 ,有:
v
杨
维
纮
D r0
ω
D
Dt
Dt
d r
d t
O
( r0 r )
x
ω r v v 0 ω r
即:
v v v 0 ω r v v f
其中
v
f
是牵连速度
y
K 系
K系
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中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
2. 相对于K/系作匀速运动的点,科里奥利加速度
a
D v
Dt
d v
D
Dt
ω v
d t
ω
( v v 0 ω r )
D v0
Dt
Dω
r ω
Dt
a a 0 ω v ω (
D r
Dt
d r
z
r (t )
ω r )
O
d t
r0 ( t )
a f a 0 ω (ω r )
a cor 2ω v
则得:
y
r (t )
a 0 2ω v ω (ω r )
令:
z
P
O
K系
x
y
K 系
x
a a f a cor
其中 a cor 称为科里奥利加速度,这是法国人科里奥利
(G.Coriolis)于1835年提出的。
杨维纮
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中
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科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
第一章 质点运动学
§1.1
引言
§1.2
质点和参考系
§1.3
速度与加速度
§1.4
直角坐标系中运动的描述
§1.5
自然坐标系中运动的描述
§1.6
平面极坐标中的运动描述
§1.7
相对运动
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术
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杨
维
纮
§1.1
引 言
1.1.1
力学的研究对象
1.1.2
时间、空间和牛顿力学的绝对量
1.1.3
宇宙的层次和数量级
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术
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维
纮
§1.1
引 言
1.1.1 力学的研究对象
运动学: 研究物体运动的几何性质,而不研究引起物
体运动的原因。(位移,速度,加速度,轨
迹等的描述和计算)
动力学: 研究受力物体的运动变化与作用力之间的
关系。(运动微分方程的建立和求解)
静力学: 研究物体在力系作用下的平衡规律,同时
也研究力的一般性质和力系的简化方法等。
(平衡方程的应用和受力分析)
经典力学适用范围:弱引力场中宏观物体的低速运动。
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技
术
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杨
维
纮
1.1.2 时间、空间和牛顿力学的绝对量
时间 :
时间用以表述事物之间的顺序
空间 :
空间用以表述事件相互之间的位形
在牛顿力学中,时间间隔和空间间隔(长度)被认为
是绝对量,是独立于所研究对象(物体)和运动而存
在的客观实在。时间的流逝与空间位置无关,空间为
欧几里德几何空间。而近代物理理论对此是否定的,
这个问题将在相对论一章中详细讨论。
没有满意的“严格”的理论定义,并不妨碍时间和空间二者
在物理中的使用,因为,物理学是一门基于实验的科学,在
考查物理学的概念或物理量的时候,首先应当注意它与实验
之间是否有明确的、不含糊的关系。对于时间和空间这两个
基本概念来说,首要的问题似不是去追究它们的“纯粹”定
义,而是应当了解它们是怎样量度的。
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中
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科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
时间的测量 :
任何具有重复性的过程或现象,都可以作为测量时间
的一种钟 (例如,太阳的升没表示天;四季的循环
称作年;月亮的盈亏是农历的月。其他的循环过程,
如双星的旋转、人体的脉搏、吊灯的摆动、分子的振
动等等,也都可以用作测时的工具)
真太阳日:太阳视面中心连续两次出现在地面某处正
南方所需的时间
平太阳日:一年之内全部真太阳日的平均
秒:
一个平均太阳日的1/86,400,这种以地球
自转为基础的计时标准叫世界时(UT)
1956年起改用以地球公转周期为基准的时间标准,
称为历书时(ET),并规定秒为1900年回归年的
1/31,556,925.9747
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大
学
时间的测量 :
杨
维
纮
自从人类发明机械计时的时钟以来,400年来时间计
量准确度的提高是惊人的,现代的原子钟的计时误差
已小于 10 10 秒/天。目前,时间是测量得最准确的
一个基本量
1967年10月在第十三届国际度量衡会议上规定:
位于海平面上的铯原子的基态的两个超精细能级
在零磁场中跃迁辐射的周期T与1秒的关系为
1秒 = 9,192,631,770 T
这样的时间标准称为原子时
用铯钟作为计时标准,误差若按一个周期计算,测量
精度要比秒表作时计提高 10 10 倍,即误差下降到秒
表的 10 10 之一
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术
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学
杨
维
纮
空间的测量 :
长度是空间的一个基本性质
对长度的测量,在日常的范围中,是用各种各样
的尺,如米尺、千分尺、螺旋测微计等等。对于不能
用尺直接加以测量的小尺度,可以求助于光学方法。
在精密机床上常有光学测量装置;测定胰岛素中原子
的位置,是用调光衍射方法。对于大的尺度,也不能
直接用尺去测量,也要求助于光。测量月亮与地球的
距离可以用激光测距的方法,测量一些不太远的恒星,
可以用三角学方法。至于银河系之外的遥远天体的距
离,同样是用它们发光的一些特征来测定的。
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学
技
术
大
学
杨
维
纮
空间的测量 :
米: 规定为通过巴黎的自北极至赤道的子午线长度
的1/10,000,000
1875年起,决定改用米原器(截面呈“X”形的
铂铱合金尺)作为长度标准。由于这样规定的标准米
不易复制,精度又不高
1960年在第十一届国际计量大会上规定:
1米等于氪86原子的和能级之间跃迁时所对应的辐
射(橙色谱线)在真空中的波长λ的1,650,763.73倍。
这样规定的米叫原子米
1983年10月在第十七届国际计量大会上规定:
米是光在真空中在1/299,792,458秒的时间间隔内所
传播的路程长度
光速:c = 299,792,458米/秒
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术
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维
纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
1. 空间尺度:从极小到极大
最遥远星系
银河系
邻近恒星
太阳
地球
人类
细胞
原子
质子
夸克
1026 m
1020 m
1010 m
100 m
10-10 m
10-20 m
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纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
天体空间尺度
地球直径
太阳直径
太阳系范围
最近的恒星
银河系范围
最近的星系
富星系团
可测宇宙
(1 光年~1016 米)
-9
1.3×10 光年
-7
1.47×10 光年
-3
1.2×10 光年
4.3 光年
105 光年
6
10 光年
7
10 光年
10
1.5×10 光年
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杨
维
纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
星系的直径大约是 1021米
人造物体和自然物体的电子显
微镜照片,图中垂线是20纳米
的聚合物纤维,有短尾的物体
是T-4噬菌病毒
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维
纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
一些典型的时间尺度
宇宙年龄
地球年龄
太阳绕银河系中心的轨道周期
古人类的出现
钚的半衰期
人的寿命
地球的公转周期(1年)
地球的自转周期(1天)
人的脉搏
人的神经系统反应时间
可听见的最高频率的声音周期
μ子的寿命
典型的分子转动周期
实验室能产生的最短光脉冲周期
π介子的半衰期
共振粒子寿命
从宇宙诞生到已知的物理定律可用的时间
6×1017 秒
1.5×1017 秒
8×1015 秒
6×1013 秒
8×1011 秒
2×109 秒
3×107 秒
8.6×104 秒
1秒
1×10-1 秒
5×10-5 秒
2×10-6 秒
1×10-12 秒
1×10-15 秒
2×10-16 秒
1×10-25 秒
1×10-43 秒
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技
术
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纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
我们研究的对象跨越如此巨大的数量级范围,
单一的单位(如秒、米),用起来就很不方便了,
通常的做法是采用一些词冠来代表一个单位的十进
倍数或十进分数,如千(kilo)代表倍数103,厘
(centi)代表分数10-2,等等。在国际单位制中,原
来从10-18到1018的36个数量级之间规定了16个词冠,
最近又建议在大、小两头再各增加两个,共20个词
冠,一并列在下表1.1中。表内中译名在方括弧里的
字可以省略。这些词冠与各种物理量的单位组合在
一起,构成尺度相差甚为悬殊的大小各种单位,在
现代物理学中广泛使用着。其中有的已化作物理学
名词的一部分,如纳米(nm)结构、飞秒(fs)光
谱等,成为一些新兴技术的标志和象征。
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学
技
术
大
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杨
维
纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
国际单位制所用的词冠
数量级
英文名
缩写符号
中译名
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
10-21
10-24
deci
centi
milli
micro
nano
pico
femto
atto
zepto
yocto
d
c
m
μ
n
p
f
a
z
y
分
厘
毫
微
纳[诺]
皮[可]
飞[母托]
阿[托]
仄[普托]
幼[克托]
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科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
国际单位制所用的词冠(续)
数量级
英文名
缩写符号
中译名
10
102
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
deca
hecto
kilo
mega
giga
tera
peta
exa
zeta
yota
da
h
k
M
G
T
P
E
Z
Y
十
百
千
兆
吉[咖]
太[拉]
拍[它]
艾[克萨]
泽[塔]
尤[塔]
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学
技
术
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杨
维
纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
最长的时间和最短的时间
目前,物理学中涉及的最长的时间是1038 秒,它
是质子寿命的下限。宇宙的年龄大约是6x1017秒,即
200亿年。牛顿力学所涉及的时间尺度大约是10-5 ~
1015秒,即从声振动的周期到太阳绕银河中心转动的
周期。粒子物理的时间尺度都很小,μ子的寿命是
2x10-6秒,已经算是极长寿的了,最短寿的是一些共
振粒子,它们的寿命只约有10-24秒,目前物理学中涉
及的最小的时间是10-43秒,称为普朗克时间。普朗克
时间被认为是最小的时间,比普朗克时间还要小的范
围内,时间的概念可能就不再适用了。
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大
学
杨
维
纮
1.1.3 宇宙的层次和数量级
最大的长度和最小的长度
目前,物理学中涉及的最大长度是1028米,它是
宇宙曲率半径的下限;弱电统一的特征长度为10-20米;
普朗克长度约为10-35米,被认为是最小的长度,意思
是说,在比普朗克长度更小的范围内,长度的概念可
能就不再适用了。
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杨
维
纮
§1.2
质点和参考系
1.2.1
质点和参考系
1.2.2
轨迹和运动方程
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杨
维
纮
§1.2
质点和参考系
1.2.1 质点和参考系
质点 :
参考物 :
突出了“物体具有质量”、“物体占有位
置”
为了研究运动,固定坐标系的物体
参考坐标系 : 固定在参考物上的坐标架(简称参考系)
参考系 = 参考物 + 坐标架 + 钟
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杨
维
纮
1.2.1 质点和参考系
质点 的位置矢量 r(简
称位矢)的大小为OP
的长度,而方向从O指
向P。用这个矢量就完
全确定了质点P的位置
r xi yj zk
其中i,j,k分别分别表示空间的三个坐标方向
( x , y , z 轴)上的单位矢量,称为坐标基矢
参考系的选择是任意的,对于同一个质点的位置,用
不同参考系来描写时,则具有不同的位置矢量。就这
一点,我们可以说,位置是具有相对性的物理量。
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技
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学
1.2.2 轨迹和运动方程
质点在运动中所经过的各点在空间连成一条曲线,这
条曲线我们称之为轨迹。
轨迹可以利用曲线方程来描写。
譬如,曲线方程:
x2 y2 R2
z 0
就描写了在平面上半径为R的圆周运动的轨迹。
杨
维
纮
一般曲线方程可以表示成:
f1 ( x , y , z ) 0
f 2 ( x, y, z ) 0
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技
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杨
维
纮
1.2.2 轨迹和运动方程
在历史上很长一个时期内,人们只注重轨迹形状
的研究,例如行星走圆形,落体走直线。我们知道,
质点运动是位置的变化,它涉及空间和时间两方面。
轨迹形状只反映了运动的空间方面的性质,它对于研
究运动还是不够的,因为轨迹还没有把质点运动的情
况全部表述出来,特别是没有表述它的动态性质。百
米赛跑时,所有运动员的轨迹都是直线,但他们各自
的运动情况并不全同,否则就分不出名次了。我们不
仅应该知道轨迹,而且还应知道质点经过轨迹上各点
的时刻。运动是在时间、空间里的现象,关键是把时
间描写和空间描写联系起来。直到牛顿之前不久,才
特别强调了这一点。
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维
纮
1.2.2 轨迹和运动方程
我们知道,可以利用矢量方法来描写质点 M 的位置。
质点的位置关于时间的函数称为运动方程或运动解,
知道了这个方程等于知道了此质点运动的一切情况。
质点的运动方程可以表示成:
r r (t )
当然,也可以用坐标系中
三个坐标分量来描述运动
x x (t )
y y (t )
z z (t )
并有关系式 r ( t ) x ( t ) i y ( t ) j z ( t ) k
从运动方程中消去时间 t 即得到轨迹的方程
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杨
维
纮
1.2.2 轨迹和运动方程
应当指出,同一物体,相对于不同的参考系,显示出
不同的运动。风洞中的模型,相对于地面是静止的,相对
于空气(风),模型却在以高速度飞行。车刀,相对于车
床的床座,仅仅作直线运动;相对于工件,刀刃却在作螺
旋运动。所以,研究运动,必须首先选定参考系,由于运
动方程既包含质点的位矢,也包含时间,因而对于不同的
坐标原点与时间原点的选取,运动方程的形式将有所不同。
在日常生活中,我们习惯于认为地面是静止的,在讲
到“静止”、“运动”的时候总是对地面而言的。可是,
大家知道,地球以大约30公里/秒的速度绕太阳公转,根
本不是静止的。宇宙间没有一个绝对静止的物体。静止和
运动都是相对的,不存在“绝对静止”的参考系,只存在
描述某个运动较为方便的参考系。
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维
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§1.3
速度与加速度
1.3.1
位移、路程与速度
1.3.2
加速度
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§1.3
速度与加速度
1.3.1 位移、路程与速度
1. 直线运动
质点在t1到t2时间间隔内的平均
速度
v t1 t 2
x ( t 2 ) x ( t1 )
t 2 t1
瞬时速度(简称速度)定义为:
杨
维
纮
v (t )
lim
t 0
x (t t ) x (t )
t
lim
t 0
x
t
dx ( t )
dt
通常称平均速度的绝对值为平均速率。类似地,瞬时
速度的绝对值被称为速率。
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杨
维
纮
1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
质点在 t1 = t 到 t2 = t +△t 时
间间隔内的平均速度
v t1 t 2
r ( t 2 ) r ( t1 )
t 2 t1
r
t
这个平均速度的定义表明,平
均速度是矢量。
r r ( t 2 ) r ( t1 )
是在时间间隔 △t 内质点位置矢量的改变量,称为位
移矢量(简称位移)
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杨
维
纮
1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
由右图很清楚知道,在t1到t2
时间间隔内质点的运动方向并非
总是沿着1到2的方向的,而是先
从1向4、3方向运动,然后从3向2
方向运动,这些运动方向并不平
行于 1到2的方向。
所以平均速度所指的方向,只是质点真实运动方向的平均。
也就是说,平均速度不但对于运动快慢的描写是粗略的,而且对
于运动方向的描写也是粗略的。但当△t减小时,矢量相继从1,
2变到1,3,变到1,4……,在△t→0的极限情况下, △r的方
向趋于轨迹曲线在点 1的切线方向,且位移与路程两者的大小近
似相等。这样,我们就得到一个结论:瞬时速度的方向,就是轨
迹曲线在相应点的切线方向;瞬时速度的大小,就是时平均速率
的大小。
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维
纮
1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
路程函数s(t):质点从 t1 =0 到
t2 = t 时刻所走过的路程长度
质点从 t1 = t 到 t2 = t +△t 时
间间隔内所走过的路程
s s ( t 2 ) s ( t1 )
由此可以定义平均速率:
w t1 t 2
s ( t 2 ) s ( t1 )
t 2 t1
s
t
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术
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杨
维
纮
1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
由右图可以看出,位移△r与
路程△s有如下的异同点:
(1) 位移与路程不同于位矢,
它们与坐标原点的选取无关。
(2) 路程△s是由M到M′的曲线的
实际长度,是一个标量。而位移
是由始点至终点的有向线段,是
一个矢量。而且位移的大小通常
也不等于路程。
(3) 位移不反映初位置到终位置中间的细节,也不反
映初位置或终位置本身,仅反映两者相对位置的改变。
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维
纮
1.3.1 位移、路程与速度
2. 三维曲线运动
瞬时速度(简称速度)定义为:
v (t )
lim
r (t t ) r (t )
t 0
t
lim
t 0
r
t
dr
dt
速度的数值大小(绝对值)称
为速率,由上式知:
v (t ) | v (t ) |
lim
t 0
r
t
lim
t 0
| r |
t
lim
t 0
s
t
ds ( t )
dt
在国际单位制中,速度的单位是米/秒,常用的单位还
有厘米/秒、千米/小时等
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中
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术
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维
纮
1.3.2 加速度
1. 直线运动
质点在 t1 = t 到 t2 = t +△t 时间间隔内的平均加速度
a t t t
v (t t ) v (t )
t
瞬时加速度(简称加速度)定义为:
a (t )
lim
t 0
v (t t ) v (t )
t
lim
t 0
v
t
dv ( t )
dt
2
d x (t )
dt
2
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术
大
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杨
维
纮
1.3.2 加速度
2. 曲线运动
质点在 t1 = t 到 t2 = t +△t 时间
间隔内的平均加速度
a t t t
v
t
v (t t ) v (t )
t
瞬时加速度(简称加速度)定义为:
a (t )
lim
t 0
v (t t ) v (t )
t
lim
t 0
v
t
d v (t )
dt
2
d r (t )
dt
2
在国际单位制中,加速度的单位是米/秒2,常用的
单位还有厘米/秒2 等。
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中
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技
术
大
学
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维
纮
§1.3
速度与加速度
小结:
速度、加速度是矢量,它具有矢量性
质点做变速运动中各个时刻的速度、加速度不一
定相同,它具有瞬时性
选取不同的参考系,质点的速度和加速度是不
同的,它具有相对性
从运动学本身来考虑,没有足够的理由说明,为什
么我们应当到此为止,而不去讨论加加速度、加加
加速度……。其中的原因在动力学,学过动力学后,
我们将看到,对力学的讨论几乎全部是基于位置矢
量、速度和加速度这三个量。
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大
学
杨
维
纮
§1.4
直角坐标系中运动的描述
1.4.1
直线运动
1.4.2
曲线运动
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科
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技
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大
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§1.4
1.4.1 直线运动
运动方程:
平均速度:
x x (t )
v t0 t
x (t ) x (t 0 )
瞬时速度:
v (t )
lim
t 0
杨
维
纮
直角坐标系中运动的描述
x (t t ) x (t )
t
t t0
dx ( t )
dt
右图表示的是质点做直线运动时的位置、
速度和加速度关于时间的图形。由图上可
见,当位置最大时,速度为零(此时曲线
的斜率为零),同样当速度最大时,其加
速度为零。
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中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
1.4.1 直线运动
瞬时速率:
w ( t ) | v ( t ) |
平均加速度:
a t0 t
瞬时加速度:
ds ( t )
dt
a (t )
lim
t 0
v (t ) v (t 0 )
t t0
v (t t ) v (t )
t
dv ( t )
dt
2
d x (t )
dt
2
由此可见,如知道运动方程,则速度、加速度等皆可求得。
故古希腊自然哲学家亚里士多德 (Aristotle, 384~322 B.C.) 认
为:轨迹是最基本的,速度次之(当时并不知道加速度)。
这种方法的特点是先研究运动的大的整体方面,往往从对称
性入手,然后再涉及局部细节。就人类的认识过程来看,的
确是先看到轨迹的形状,然后有了运动快慢的概念,最后认
识到速度的变化,即加速度。
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中
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技
术
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1.4.1 直线运动
运动学的反问题
如果已知质点运动的加速度 : a a (t )
若再知道 t = 0 时刻质点的速度和位置 :
v (t 0 ) v 0
可以完全描述运动。
a ( t ) dv / dt
利用:
可以解得:
杨
维
纮
x (t 0 ) x 0
v (t ) v 0
x (t ) x 0
s (t ) s 0
v ( t ) dx / dt
t
a ( t ) d t
0
t
v ( t ) d t
0
t
0
| v ( t ) | d t
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中
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杨
维
纮
1.4.1 直线运动
牛顿认为:瞬时情况更基本,不要先探讨物体运动的
整体方面,而是先弄清局部细节,再积分得到整体性质。
这种方法,是现代物理学的一个基本方法,至今在大多数
情况下,物理学家们都采用牛顿这种方法。
从哲学上看,本小节处理运动问题的两种方法(正问
题和反问题)反映了人们的两种不同信念:一种认为整体
的大的方面简单些,因此,主张从大到小的研究顺序;另
一种认为局部的单元过程更简单些,因此,主张从小到大
的研究顺序。现在看来,这两种“简单性”可能是分不开
的,虽然在大多数情况下,我们偏爱第二种研究顺序,但
在某些局部过程不得要领的情况下,第一种研究顺序也有
其独到之处。在第四、五章我们再讨论这个问题。
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中
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维
纮
1.4.2 曲线运动
1. 运动方程
r (t ) x (t ) i y (t ) j z (t )k
x x (t )
y y (t )
z z (t )
v (t ) v x (t ) i v y (t ) j v z (t )k
2. 速度
分量式:
v x (t )
dx ( t )
v y (t )
x ( t )
dt
dy ( t )
y ( t )
dt
速率:
2
2
2
ds ( t ) dx
dy
dz
v (t )
dt
dt
dt
dt
其中:
ds dx dy dz
2
2
2
2
1/ 2
v z (t )
dz ( t )
dt
z ( t )
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1.4.2 曲线运动
3. 加速度
a (t ) a x (t ) i a y (t ) j a z (t )k
分量式:
2
a x (t )
d x (t )
a y (t )
d y (t )
a z (t )
d z (t )
x( t )
dt
2
杨
维
纮
y( t )
dt
2
dt
z( t )
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中
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1.4.2 曲线运动
运动的重要性质:
运动的独立性
运动的独立性 的实验演示
由速度、加速度的分量表达式可以看到,描写一个质
点的复杂的曲线运动时,其方向的坐标、速度和加速
度与其它方向的坐标、速度和加速度无关;对方向和
方向也有这种性质,即三个方向相互无关。这种性质
称为运动的独立性。
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1.4.2 曲线运动
运动学的反问题
a ( t ), v ( t 0 ), r ( t 0 )
如果已知:
可以完全描述运动。
速度: v ( t ) v 0
位矢: r ( t ) r0
t
分量式:
v (t ) v
0x
x
v y (t ) v 0 y
v z (t ) v 0 z
a ( t ) d t
t0
t
v ( t ) d t
t0
路程:
ds ( t )
v (t ) | v (t ) |
dt
s (t ) s (t 0 )
t
t0
v x (t ) v y (t ) v z (t )
2
2
2
v x ( t ) v y ( t ) v y ( t ) d t
2
2
2
t
t0
t
t0
t
t0
a x ( t ) d t
a y ( t ) d t
a z ( t ) d t
x ( t ) x t v ( t ) d t
0
t0 x
t
y ( t ) y 0 t v y ( t ) d t
0
t
z ( t ) z 0 v z ( t ) d t
t0
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§1.5
自然坐标系中运动的描述
1.5.1
切向加速度和法向加速度
1.5.2
自然坐标系
1.5.3
圆周运动
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§1.5
自然坐标系中运动的描述
有时直角坐标系不是最好的坐标系,这是因为:
若我们研究的运动是受约束的运动,比如火车的行驶(它不能
离开铁轨),或穿在弯曲钢丝上的小环的运动等。这类运动往
往轨迹的形状是给定的,由于约束力的参与(本章中我们不讨
论力,仅研究运动),加速度往往与轨迹上点的位置有关(有
时还与质点在该点速度有关),此时运动的独立性往往失效。
沿轨迹的曲线坐标系有可能是更好的坐标系。
即使我们研究运动的独立性有效的运动,使用直角坐标系使得
数学计算简单了,但我们对其中的一些物理细节却并不很清楚。
比如,我们知道速度的方向是沿着轨迹上质点所在位置的切线
方向,但加速度的方向如何?加速度的方向对速度又有何影响?
于是,我们需要引入一种新的坐标系:自然坐标系。
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§1.5
自然坐标系中运动的描述
1.5.1 切向加速度和法向加速度
我们现在考虑加速度的方向。对于沿
直线的运动,只有一个方向,故速度与加
速度的方向都与轨迹的方向平行(对于减
速运动,加速度的方向与运动方向相反,
我们仍视加速度与速度方向平行,有时也
称其为反平行),如图1.11(a);对于匀速
圆周运动,加速度与速度方向垂直,如图
1.11(b);而对于一般的曲线运动,加速度
的方向比较复杂,它往往与速度的方向即
不平行又不垂直,如图1.11(c)。
由于一维的直线运动非常简单,我们下面的讨论认为质
点的运动不是直线运动。
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
速度矢量:v ( t ) v ( t ) vˆ ( t )
其中 vˆ ( t ) 是沿着轨道切向,
指向运动方向的单位矢量。
v(t)没有法向分量。
加速度 :
a (t )
d v (t )
dt
v (t )
t
lim
t
t
t
t 0
v (t t ) v (t )
1
v (t )
v ( t t ) vˆ ( t t ) v ( t ) vˆ ( t )
t
v ( t )vˆ ( t t ) vˆ ( t ) v ( t t ) v ( t ) vˆ ( t t )
a (t )
lim
t 0
v1
t
lim
t 0
v 2
t
v1
t
v 2
t
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
lim
t 0
v 2
t
lim
t 0
v (t t ) v (t )
t
该项沿轨迹的切向,
也即是速度的方向,
我们称这一项为切向
加速度。
lim
t 0
vˆ ( t t )
dv ( t )
dt
vˆ ( t )
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
如图知,求瞬时加速度
至少需要在轨迹上取三个点。
设我们取三个点P、Q、
Q1来求加速度。
在求加速度的过程中,每次只取三个点,而不在一条直线上
的三个点可以唯一确定一个平面(我们已假定了质点的运动不是
直线运动),在取极限的过程中,这三个点所确定的平面也会随
之变化,最后会趋于一个极限的平面。我们认为这个极限平面与
点附近的轨迹的关系最为密切,故称该极限平面为密切平面(简
称密切面)。不仅如此,不在一条直线上的三个点还可以唯一确
定一个圆,于是,在我们的密切面上还有一个极限圆,我们认为
这个极限圆与点附近的轨迹的弯曲情况最为密切,故称该极限圆
为密切圆,又称曲率圆,这个圆的半经称为曲率半径。
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
lim
v1
t 0
lim
t
t 0
v (t )
v (t )
lim
vˆ ( t t ) vˆ ( t )
t
t 0
t
nˆ
lim
t 0
v s
R t
2
nˆ
v (t )
nˆ ( t )
R (t )
于是:
a ( t ) vˆ ( t )
dv ( t )
2
nˆ ( t )
dt
v (t )
R (t )
a t vˆ a n nˆ
其中:
杨
维
纮
a t a vˆ
dv ( t )
a n a nˆ
v (t )
切向加速度,表示速度大小的变化
dt
2
R (t )
法向加速度,表示速度方向的变化
R (t )
曲率半径
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
加速度:
a ( t ) vˆ ( t )
2
nˆ ( t )
dt
v (t )
a t vˆ a n nˆ
R (t )
加速度的大小(绝对值):
2
a (t )
a a
2
t
2
n
2
v
dv
dt
R
2
d s
2
dt
2
2
1 ds
R dt
如果运动方程 已知:r r (t )
可以求得:
杨
维
纮
dv ( t )
v (t ), a (t )
可得轨迹上任意一点的曲率半径为:
3
R (t )
v (t )
| a (t ) v (t ) |
2
2
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1.5.1 切向加速度和法向加速度
如果以弧长 s 为坐标,则 :
v
ds
at
dt
dv
2
dt
d s
dt
2
可得:
v v0
s s0
t
t0
t
t0
a t dt
vdt
t
t0
v
0
t
t0
a t dt dt
质点的运动在形式上与直线运动相仿,所不同的
是,质点走的实际上是曲线。
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1.5.2 自然坐标系
eˆ 1 vˆ , eˆ 2 nˆ
eˆ 3 vˆ nˆ bˆ
这样构成的正
交坐标系称为自然
坐标系(有的书上
称为内禀坐标系、
本性坐标系、路径
坐标系等)
当质点作空间运动时,它的速度向量位于轨迹上
的切线方向,而加速度向量位于该点的密切平面上。
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1.5.3 圆周运动
1.
R (t ) R 0
2. 轨道在一个平面上
称这样的运动为圆周运动。
若同时有
v (t ) v 0
常数
则称为匀速圆周运动。
v ( t ) v ( t ) vˆ ( t ) ,
a (t )
dv ( t )
vˆ ( t ) v ( t )
dt
vˆ ( t ) rˆ ( t )
d vˆ ( t )
dt
dv ( t )
a t dt
2
v (t )
an
R0
dv ( t )
dt
2
vˆ ( t )
v (t )
R0
切向加速度
向心加速度
rˆ ( t ) a t vˆ ( t ) a n nˆ ( t )
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1.5.3 圆周运动
圆周运动的另一种描述法:
定义:角速度矢量 ω ,大
小为 d / dt ,方向按右手
系指向平行于转轴方向。
有了上述定义,则当
坐标原点选在转轴上时,如
图,有:
v
a
dr
dt
dv
dt
ω r
dω
dt
r ω
dr
dt
dω
dt
r ω (ω r )
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1.5.3 圆周运动
我们曾指出,对于一个物理对象,用什
么数学语言来描写,这并不是一件很自然的
事情,任何一种数学只是一种逻辑体系,一
种逻辑体系能不能正确地描写我们的物理对
象,是要认真研究的。物理上,寻找那种能
正确地、简洁地描写物理对象的数学是一个
难点。在这里,我们定义了角速度矢量,这
似乎很自然,它又有大小,又有方向。这里
要提醒大家注意的是,有大小又有方向的量
可不一定就是矢量,若要是矢量还必须满足
矢量的运算法则。
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§1.6
平面极坐标中的运动描述
1.6.1
平面极坐标
1.6.2
位矢、速度和加速度
的极坐标表示
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中
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§1.6
平面极坐标中的运动描述
1.6.1 平面极坐标
直角坐标系是最常用的坐标
系,但对有些运动,如圆周运动、
速度或加速度指向空间某固定点
的运动等,直角坐标就不那么方
便,而用平面极坐标(简称极坐
标)会有许多优点。
极坐标法(只对平面曲线运动时可用):
杨
维
纮
极坐标的建立:规定极点,极轴,极径,极角
极角:极径和极轴的夹角称为极角
两个单位矢量 rˆ 和 ˆ ,它们分别表示 r 增加的方向(称
为径向)和 增加的方向(称为横向)
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1.6.1 平面极坐标
d rˆ ( )
d
d ˆ ( )
d
ˆ
rˆ
在极坐标系中,质点的运动方程为:
r r ( t ),
从该方程组中消去时间t,可得轨迹方程为:
f (r , ) 0
(t )
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1.6.2 位矢、速度和加速度的极坐标表示
r ( t ) r ( t ) rˆ ( t )
r r rˆ r ˆ
v
lim
t 0
lim
t 0
r
t
r
t
rˆ lim r
t 0
ˆ
rrˆ r ˆ
t
前者叫径向速度,用vr表示;后
者叫横向速度,用 v 表示,即:
v v r rˆ v ˆ v r v
其中:
v r rrˆ ,
v r ˆ
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1.6.2 位矢、速度和加速度的极坐标表示
利用矢量的求导公式 推导:
由于: d rˆ d rˆ d ˆ
d dt
dt
可得:
v (t )
d r (t )
dt
a (t )
d v (t )
d
dt
dr ( t )
d ˆ d
rˆ
d dt
rˆ r ( t )
d rˆ
dt
( r rˆ r ˆ )
dt
d rˆ ( t )
dt
杨
维
纮
[ r ( t ) rˆ ]
dt
dt
r rˆ r
d
d ˆ
ˆ (t )
d
r ˆ r ˆ r
dt
r rˆ r ˆ r ˆ r ˆ r ( rˆ )
2
( r r ) rˆ ( 2 r r ) ˆ
2
a r ( r r ) rˆ
a ( 2 r r ) ˆ
径向加速度
横向加速度
dt
r rˆ r ˆ
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例:设质点在匀速转动(角速度为)的水平转盘上从
开始自中心出发以恆定的速率沿一半径运动,求质点
的轨迹、速度和加速度。
解:取质点运动所沿的半径在时的位置为极轴,得:
v r dr / dt u
v rd / dt r
r ut
t
2
a ( t ) r rˆ 2 u ˆ
轨迹方程:
r
u
此曲线为阿基米德螺线
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纮
总结:
一般地,当加速度为常量(如重
力加速度),应选取直角坐标系;当
加速度总指向空间一点时(有心力情
形),选极坐标系较方便;当质点的
轨迹已知时(譬如限定在某曲线轨道
上滑动),则可选用自然坐标系。
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§1.7
相对运动
通常,把相对观察者静止的
参考系称为定参考系或静参考系,
把相对观察者运动的参考系称为
动参考系;把物体相对于动参考
系的运动称为相对运动(相应的
有相对速度和相对加速度),物
体相对静参考系的运动称为绝对
运动(相应的有绝对速度和绝对
加速度)。动参考系相对静参考
系的运动称为牵连运动(相应的
x
有牵连速度和牵连加速度)。
ω
z
P
y
r (t )
z
r (t )
O
r0 ( t )
O
K系
x
y
K 系
当相对作平动(如的坐标轴在运动中始终与的坐标轴保持平
行)时,牵连速度和牵连加速度不因物体在上的位置不同而异。
当相对转动时,牵连速度和牵连加速度均与物体的位置有关。为
了讨论问题简单起见,本节中动参考系和静参考系中的坐标系都
取直角坐标系。
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§1.7
相对运动
1.7.1
动参考系作任意方式的平动
1.7.2
动参考系作任意方式的运动
Slide 67
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1.7.1 动参考系作任意方式的平动
注意:平动不一定是直线运动!
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
对静参考系 K:
v (t )
d r (t )
a (t )
,
d v (t )
dt
v 0 (t )
d r0 ( t )
2
dt
,
dt
a 0 (t )
d r (t )
dt
d v 0 (t )
2
2
dt
d r0 ( t )
dt
2
对动参考系 K/:
v ( t )
d r ( t )
,
a ( t )
dt
d v ( t )
dt
d r ( t )
2
dt
2
于是,我们有:
v ( t ) v 0 ( t ) v ( t )
a ( t ) a 0 ( t ) a ( t )
Slide 68
中
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
ω
z
P
P点在K系的坐标:
r (t ) x (t ) i y (t ) j z (t )k
y
r (t )
z
r (t )
O
P点在K/系的坐标:
r ( t ) x ( t ) i y ( t ) j z ( t ) k
r0 ( t )
O/点在K系的坐标、速度
和加速度:
r0 ( t ) x 0 ( t ) i y 0 ( t ) j z 0 ( t ) k
v 0 (t )
d r0 ( t )
a 0 (t )
,
dt
d v 0 (t )
dt
O
K系
x
y
K 系
x
2
d r0 ( t )
dt
2
现在,v (t ) 和 a ( t ) 不能象平动参考系那样称其为牵连速
度和牵连加速度
0
0
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中
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
定义:
D
在静参考系K中对时间的微商称为绝对微商,符号: Dt
在动参考系K/中对时间的微商称为相对微商,符号:
d
dt
它们之间差别表现在对坐标系的坐标基矢作用时不同
绝对微商视 i , j, k 为变量,视 i , j, k
为常量;
相对微商视 i , j, k 为变量,视 i , j, k 为常量;
除此之外,对坐标值(它们是标量)作用时
全相同。
D
Dt
与
d
dt
完
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中
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1.7.2 动参考系作任意方式的运动
K 系:
v
Dr
Dv
, a
Dt
K/ 系:
v
d r
ω
Dt
, a
d t
d v
d t
而当K/系只转动而不平动
时,坐标基矢 i , j, k 都
在以角速度ω作圆周运动
Dt
ω i ,
D j
Dt
ω j ,
y
r (t )
z
当K/系只平动而不转动时,
坐标基矢 i , j, k 都是常
矢量,则 D / Dt 对它们作用
后结果为零;
D i
z
P
r (t )
O
r0 ( t )
O
y
K 系
x
D k
Dt
x
ω k
K系
Slide 71
中
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杨
维
纮
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
ω
用D/Dt作用于K/系中任意
随时间t变化的矢量:
b b x ( t ) i b y ( t ) j b z ( t ) k
D b
Dt
D
D b y
i
Dt
y
r (t )
z
r (t )
O
( b x i b y j b z k )
Dt
D b x
b x
z
P
j
D b z
Dt
D i
d b x
Dt
b y
i
r0 ( t )
D j
Dt
d b y
b z
j
x
k
Dt
O
d b z
y
K 系
D k
Dt
K系
x
k b xω i b yω j b zω k
dt
dt
dt
d b
d
ω b
( b x i b y j b z k ) ω ( b x i b y j b z k )
dt
dt
D v d v
即: D b d b ω b D r d r ω r
ω v
Dt
d t
Dt
d t
Dt
d t
Slide 72
中
国
科
学
技
术
大
学
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
1. 相对于K/系静止的点,向心加速度
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
v0
D r0
, a0
Dt
,
Dω
Dt
v
d r
0
Dt
0, a
d v
d t
D r0
Dt
Dr
Dt
y
r (t )
z
r (t )
O
0
r0 ( t )
x
d t
f
z
P
由于P点相对于K/系静止,有:
v v
杨
维
纮
Dv 0
ω
D r
Dt
即牵连速度:
D
Dt
D r0
Dt
O
( r0 r )
d r
d t
y
K 系
x
ω r v 0 ω r
v v
f
v 0 ω r
K系
Slide 73
中
国
科
学
技
术
大
学
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
1. 相对于K/系静止的点,向心加速度
v v
a a
f
v 0 ω r
f
D v
D v0
Dt
D
Dt
Dω
( v 0 ω r )
r ω
D r
Dt
Dt
Dt
d r
a0 ω (
ω r )
d t
a 0 ω (ω r )
杨
维
纮
若K/系的原点相对于K系静止,即:
v 0 0, a 0 0
a a f ω (ω r ) ω (ω r ) r
有:
由于牵连加速度的方向为由P点垂直指向转轴方向,
故称该加速度为向心加速度。
2
Slide 74
中
国
科
学
技
术
大
学
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
2. 相对于K/系作匀速运动的点,科里奥利加速度
r ( t ) r0 ( t ) r ( t )
v0
, a0
Dt
Dv 0
,
Dt
Dω
v
d r
0
Dt
常量 , a
d t
Dr
y
r (t )
z
r (t )
O
0
r0 ( t )
x
d t
Dt
D r0
d v
z
P
P点相对于K/系作匀速运动 ,有:
v
杨
维
纮
D r0
ω
D
Dt
Dt
d r
d t
O
( r0 r )
x
ω r v v 0 ω r
即:
v v v 0 ω r v v f
其中
v
f
是牵连速度
y
K 系
K系
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中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
1.7.2 动参考系作任意方式的运动
2. 相对于K/系作匀速运动的点,科里奥利加速度
a
D v
Dt
d v
D
Dt
ω v
d t
ω
( v v 0 ω r )
D v0
Dt
Dω
r ω
Dt
a a 0 ω v ω (
D r
Dt
d r
z
r (t )
ω r )
O
d t
r0 ( t )
a f a 0 ω (ω r )
a cor 2ω v
则得:
y
r (t )
a 0 2ω v ω (ω r )
令:
z
P
O
K系
x
y
K 系
x
a a f a cor
其中 a cor 称为科里奥利加速度,这是法国人科里奥利
(G.Coriolis)于1835年提出的。