大学物理上01运动学.pptx

1欢迎大家进入物理世界2 物理学物理学是研究物质的基本结构、相是研究物质的基本结构、相互作用以及物质最基本、最普遍的运动互作用以及物质最基本、最普遍的运动和变化的规律的科学。和变化的规律的科学。物理物理-事物之理事物之理3物理学的研究对象物理学的研究对象宇宙宇宙(一一)4勇气号于勇气号于20032003年六月升空年六月升空5火星人类的第二家园？火星人类的第二家园？勇气号找到水存在的证据勇气号找到水存在的证据机遇号证实远古海洋机遇号证实远古海洋6美丽的土星及土星环美丽的土星及土星环 X X光照片光照片距土星距土星150150多万公里以外多万公里以外使用滤镜拍摄使用滤镜拍摄 7中国人的光荣与梦想中国人的光荣与梦想神舟系列飞船神舟系列飞船8What is a Galaxy?200,000 light-yearsGalaxy：a massive collection of stars,gas,and dust kept together by gravitySuns Stellar Region太太阳阳系系在在银银河河系系中中不不过过是是沧沧海海一一栗栗，银银河河系系在在宇宇宙宙中中仅仅为天地之一落叶为天地之一落叶9宇宙从哪里来宇宙从哪里来?又向何处去又向何处去?上帝创世说与盘古开天地上帝创世说与盘古开天地老老子子:天天下下万万物物生生于于有有,有有生于无生于无道道生生一一,一一生生二二,二二生生三三,三生万物三生万物霍霍金金:宇宇宙宙存存在在起起始始点点,而而且有生于无且有生于无10大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学 1940s Gamov和和Alpher首先首先提出宇宙起源于约提出宇宙起源于约150亿年亿年前一次猛烈的巨大爆炸。前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空间的膨胀，宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。是无中心的）。随着宇宙膨胀和温度降低，随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形构成物质的原初元素相继形成成。George Gamov11物理学的研究对象物理学的研究对象物质物质(二二)物质是无限可分的吗物质是无限可分的吗?什么是场物质什么是场物质?微电子学、光电子学微电子学、光电子学 介观物理与纳电子学介观物理与纳电子学12介观物理学与单原子操做介观物理学与单原子操做iron atoms on a copper surface 13物理学的研究对象物理学的研究对象运动运动(三三)运动的四种形式运动的四种形式:物理物理(化学化学)运动运动 生物运动生物运动 思维运动思维运动 社会运动社会运动物理运动的分类物理运动的分类:(:(低高速低高速)机械运动机械运动;分子热运动分子热运动;电磁运动电磁运动;原子及原子核内部运动原子及原子核内部运动14机械运动机械运动15分子热运动分子热运动Bose-Einstein condensate(BEC)Nobel Prize in Physics in 2001 16电磁运动（电磁运动（MaxwellMaxwell方程组）方程组）17原子及原子核内部运动原子及原子核内部运动Fusion Powers the Sun and Other Stars 18力力 学学物物理理学学热热 学学电电 磁磁 学学振动和波振动和波光光 学学近代物理近代物理理论基础理论基础牛顿力学牛顿力学热热 力力 学学麦克斯韦麦克斯韦电磁理论电磁理论经典物理学经典物理学理论基础理论基础相相 对对 论论量子力学量子力学19在在17、18世纪世纪牛顿力学和热力学的建立牛顿力学和热力学的建立使人类进入了使人类进入了机械化机械化时代。时代。到到19世纪世纪电磁理论的建立电磁理论的建立使人类进入了使人类进入了电气化电气化时代。时代。进入进入20世纪世纪相对论和量子力学的建立相对论和量子力学的建立使人类进入了使人类进入了信息化信息化时代。时代。物理学在自然科学中占有重要的地位并成为许多物理学在自然科学中占有重要的地位并成为许多工程技术的理论基础。工程技术的理论基础。物理学与生产技术的发展有着物理学与生产技术的发展有着密切的联系，互为促进。密切的联系，互为促进。20生活中的物理知识无处不在。生活中的物理知识无处不在。通信信号如何在空中传播通信信号如何在空中传播荧光灯如何发光荧光灯如何发光电磁炉和微波炉有什么区别电磁炉和微波炉有什么区别光盘如何记录信息光盘如何记录信息光控、声控开关是什么原理光控、声控开关是什么原理立体电影是怎么回事立体电影是怎么回事心电图、伽马刀、心电图、伽马刀、X光透视是怎么回事光透视是怎么回事火箭如何发射火箭如何发射什么是次声波武器什么是次声波武器隐性形飞机是如何制造的隐性形飞机是如何制造的声纳如何探测未知目标的声纳如何探测未知目标的 全球定位系统是怎么回事全球定位系统是怎么回事.通过我们对物通过我们对物理知识的学习理知识的学习可以使我门开可以使我门开阔思路，拓展阔思路，拓展知识面，激发知识面，激发对科学知识的对科学知识的兴趣，为以后兴趣，为以后走上工作岗位走上工作岗位打下坚实基础打下坚实基础大学物理课的任务大学物理课的任务把大家领进物理学的各个领域把大家领进物理学的各个领域 的大门，并赠送一枚指南针的大门，并赠送一枚指南针21质点运动学质点运动学 质点动力学质点动力学 刚体的定轴转动刚体的定轴转动 22 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简洁洁而而完完备备的的描描述述，建建立立运运动动学学方方程程，并并求求解解运动学方程；运动学方程；然后然后讨论刚体定轴转动的讨论刚体定轴转动的运动学方程运动学方程；最最后后引引入入运运动动的的相相对对性性，最最终终解解决决运运动动学学中的两类问题。中的两类问题。23（2）运动物体的尺度比它运动）运动物体的尺度比它运动 的空间范围小得很多。的空间范围小得很多。1.1描述质点运动的物理量描述质点运动的物理量一、质一、质 点点1.1.定义定义 如果在所研究的问题中，物体上各点运动状态的差异只如果在所研究的问题中，物体上各点运动状态的差异只占很次要的地位，我们可以忽略物体的大小和内部结构，把占很次要的地位，我们可以忽略物体的大小和内部结构，把它看成是它看成是一个有质量的几何点。一个有质量的几何点。2.物体当质点处理的两种情况物体当质点处理的两种情况第一章第一章 运动的描述运动的描述（1 1）物体不变形，不作转动）物体不变形，不作转动(此时物体上各点的速度及加速度此时物体上各点的速度及加速度都相同，物体上任一点可以代表所有点的运动都相同，物体上任一点可以代表所有点的运动)。24下下面面以以研研究究地地球球的的公公转转和和自自转转为为例例来理解质点的概念。来理解质点的概念。例如：研究地球公转例如：研究地球公转 地地球球上上各各点点的的公公转转速速度度相相差差很很小小，忽忽略略地地球球自自身尺寸的影响，作为质点处理。身尺寸的影响，作为质点处理。25研究地球自转研究地球自转 地地球球上上各各点点的的速速度度相相差差很很大大，地地球球自自身身的的大大小小和和形形状状不不能能忽忽略略，不不能能作作质质点点处处理。理。26 下面我们通过研究汽车的两种运动状态来进一步理下面我们通过研究汽车的两种运动状态来进一步理解质点的含义。解质点的含义。1.1.研究汽车在平直道路上运动（动画）研究汽车在平直道路上运动（动画）除除车车轮轮外外，汽汽车车各各部部分分运运动动情情况况完完全全相相同同，车轮的运动是次要的，可把汽车作为质点处理。车轮的运动是次要的，可把汽车作为质点处理。2.2.研究汽车突然刹车研究汽车突然刹车“前倾前倾”或转弯（动画）或转弯（动画）涉涉及及转转动动问问题题，汽汽车车各各部部分分运运动动情情况况不不同同，各车轮受力差异很大，不能把汽车作质点处理。各车轮受力差异很大，不能把汽车作质点处理。质质点点是是从从实实际际中中抽抽象象出出的的理理想想模模型型，研研究究质质点点的运动是为了抓住事物的主要矛盾进行研究分析。的运动是为了抓住事物的主要矛盾进行研究分析。27二、参照系、坐标系二、参照系、坐标系1.定义定义2.对同一个物体的运动，选择不同的参照系，描述对同一个物体的运动，选择不同的参照系，描述 的结果一般不同。的结果一般不同。例一例一、例二例二、例三例三3.参照系选取的原则参照系选取的原则对于对于运动学运动学：参照系的选取参照系的选取是任意的。是任意的。主要看问题的性质和研究方便。主要看问题的性质和研究方便。对于对于动力学动力学：参照系的选取参照系的选取不不是任意的。是任意的。因为动力学规律因为动力学规律受适用条件的限制。受适用条件的限制。为了描述一个物体的运动，都必须选择一个标为了描述一个物体的运动，都必须选择一个标准物体作为参考，这些被参考的物体叫参照系。准物体作为参考，这些被参考的物体叫参照系。28直角坐标：直角坐标：直角坐标：直角坐标：P P（x,y,zx,y,z）自然坐标：自然坐标：自然坐标：自然坐标：P P（s s）4 4 4 4坐标系：坐标系：坐标系：坐标系：为标定物体空间位置而设置的坐标系统为标定物体空间位置而设置的坐标系统为标定物体空间位置而设置的坐标系统为标定物体空间位置而设置的坐标系统极坐标：极坐标：极坐标：极坐标：P P（r r，）P(P(x x,y y,z z)z zy yx xo os sr自然坐标系是沿质点的运动轨道建立的坐标系自然坐标系是沿质点的运动轨道建立的坐标系.在质点运动轨道上任取一点作为坐标原点在质点运动轨道上任取一点作为坐标原点O,质质点在任意时刻的位置点在任意时刻的位置,都可用它到坐标原点都可用它到坐标原点O的的轨迹的长度来表示轨迹的长度来表示.29三、位置矢量三、位置矢量1.坐标法坐标法2.位置矢量位置矢量由参考点由参考点O到考察点到考察点P的矢量。的矢量。大小大小：描述质点在空间描述质点在空间位置的物理量。位置的物理量。方向方向：（2）在直角坐标系中的表示）在直角坐标系中的表示（1）定义）定义（位矢）（位矢）30平面运动平面运动直线运动直线运动 3.自然法自然法S的绝对值：的绝对值：表示质点与原点间表示质点与原点间的曲线长度。的曲线长度。S的正负号：的正负号：表示这个曲线距离是从表示这个曲线距离是从轨迹上轨迹上O点起沿哪个方点起沿哪个方向测量的。向测量的。切向轴切向轴法法向向轴轴31用自然坐标表示用自然坐标表示用位矢表示用位矢表示用直角坐标表示用直角坐标表示四、运动方程与轨道方程四、运动方程与轨道方程1.运动方程运动方程表示位置随时间表示位置随时间变化的函数式。变化的函数式。从运动方程中消去时间从运动方程中消去时间t，得，得到的到的x，y，z 之间的关系式。之间的关系式。2.轨道方程轨道方程切向轴切向轴法法向向轴轴（参数形式）（参数形式）（参数形式）（参数形式）32解：解：（1）（2）由题意知，运动方程的分量式为：）由题意知，运动方程的分量式为：消去消去t，得：，得：即为轨道方程即为轨道方程例：例：一质点在一质点在xoy平面内运动，运动方程为：平面内运动，运动方程为：（1）写出）写出t=o秒和秒和t=2时时（2）求轨道方程。）求轨道方程。的位置矢量；的位置矢量；33五、位移五、位移x y z 0 B A描述质点在描述质点在空间位置变化空间位置变化的物理量。的物理量。1.定义定义从起点指向终点的从起点指向终点的有向线段有向线段大小大小：起点指向终点起点指向终点间的间的直线距离直线距离方向方向：起点起点终点终点质点在质点在t时时间内的间内的位移位移起起点点终点终点质点质点 在在 同同 一一 时间时间内内位置矢量的增量位置矢量的增量342.在直角坐标系中的表示在直角坐标系中的表示x y z 0 B A大小大小:方向方向：平面平面:353.几点讨论几点讨论(1)位矢与位移位矢与位移位矢位矢表示质点在表示质点在空间的位置空间的位置位移位移表示质点在表示质点在空间位置的变化空间位置的变化与与时刻时刻对应对应与与时间时间对应对应与与O点选取点选取无关无关与与O点选取点选取有关有关(2)位移与路程位移与路程 定义定义位移位移是起点指向终点的是起点指向终点的有向线段有向线段，大小大小：起点指向终点间的起点指向终点间的直线距离直线距离方向方向：起点起点终点终点路程路程是质点在运动过程中所通过的是质点在运动过程中所通过的实际路径的总长度实际路径的总长度是是矢量矢量是是标量标量36AR绕半周绕半周（ACB）B位移位移大小大小：2R方向：方向：ABC路程路程：R绕一周绕一周位移位移:路程：路程：2R0 位移大小位移大小 与路程与路程 有时相等有时相等、有时不等有时不等相等相等(a)质点作方向不变的直线运动质点作方向不变的直线运动(b)曲线运动中，曲线运动中，位移元位移元不等不等(a)质点作曲线运动质点作曲线运动(b)有反向点的直线运有反向点的直线运动动ABC位移大小位移大小：AB段段路程路程：AC+CB段段B37 r B AO(3)(3)位矢大小增量位矢大小增量 与位矢增量大小与位矢增量大小38391.平均速度平均速度六、速度六、速度描述质点在空间位置描述质点在空间位置变化快慢的物理量。变化快慢的物理量。x y z 0 B A大小大小：方向方向：402.瞬时速度瞬时速度x y z 0 B A大小大小：方向：方向：切线方向，并指向前进方向切线方向，并指向前进方向大小大小:方向方向：平面平面:41一维运动情况：一维运动情况：常采用标量形式常采用标量形式表示质点向表示质点向 x 轴正向运动轴正向运动OO表示质点向表示质点向 x 轴负向运动轴负向运动423.速率速率(1)平均速率：平均速率：(2)瞬时速率瞬时速率(瞬时速度的大小瞬时速度的大小）：）：x y z 0 B A即，速率为即，速率为路程路程对时间的变化率对时间的变化率注意：注意：一般情况下一般情况下即平均速率一般即平均速率一般不等于不等于平平均速度的大小均速度的大小例：物体运动一周例：物体运动一周43(3)路程计算路程计算:AB首先首先找出速率找出速率=0的时刻的时刻t：然后然后判断速度有无反向点判断速度有无反向点说明速度说明速度没有反向点没有反向点则则直接积分直接积分说明速度说明速度有反向点有反向点则则分段积分分段积分442.平均加速度平均加速度七、加速度七、加速度3.瞬时加速度瞬时加速度x y z 0 B A1.速度增量速度增量大小大小：方向方向：大小：大小：方向：方向：描述质点在空间描述质点在空间运动速度变化快慢运动速度变化快慢物理量。物理量。45x y z 0 B A平面平面:大小大小:方向：方向：46一、质一、质 点点一个有质量的几何点一个有质量的几何点二、参照系二、参照系描述一个物体的运动，选择一个或几描述一个物体的运动，选择一个或几个彼此没有相对运动的物体作为参考个彼此没有相对运动的物体作为参考.三、位置矢量三、位置矢量由参考点由参考点O到考察点到考察点P的矢量的矢量四、运动方程四、运动方程小小 结结47五、位移五、位移从起点指向终点的从起点指向终点的有向线段有向线段六、速度六、速度瞬时速度瞬时速度七、加速度七、加速度48例例1:已知已知:求求（1）t=3 s 时的速度；（时的速度；（2）1s 4s 内的平均速度。内的平均速度。解解:（1）（2）49一质点运动轨迹为抛物线一质点运动轨迹为抛物线求：求：x=-4 m 时时（t 0)粒子的速度、速率、加速度。粒子的速度、速率、加速度。解：解：例例2：50例例3:已知质点的运动方程为已知质点的运动方程为 轨道方程轨道方程 t=1s末，末，t=2s末的位置矢量末的位置矢量 1s2s内的位移内的位移 0s2s内的路程内的路程 1s2s内的平均速度内的平均速度 0s2s内的平均速率内的平均速率51 2s末的瞬时加速度末的瞬时加速度 2s末的瞬时速度末的瞬时速度 2s末的瞬时速率末的瞬时速率例例4:已知已知求求2s内路程内路程解：解：速度有反向点速度有反向点0-1s:1-2s:t=2t=0t=152例题例题6：解：解：已知一质点有一恒定的加速度已知一质点有一恒定的加速度求它的求它的运动方程运动方程 和和轨道方程轨道方程。时，时，53例题例题7：在离船的高度为在离船的高度为h的岸边，绞车以恒定的速率的岸边，绞车以恒定的速率v0收拖缆绳使收拖缆绳使船靠岸，如图所示。求当船头与岸的水平距离为船靠岸，如图所示。求当船头与岸的水平距离为x时，船的时，船的速度与加速度？速度与加速度？x0hx解：建立如图所示的坐标系解：建立如图所示的坐标系运动方程为：运动方程为：（负号表示负号表示 的方向与的方向与x轴正向相反轴正向相反）（负号表示负号表示 的方向与的方向与x轴正向相反轴正向相反）