自然坐标圆周运动相对运动.pptx

自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动一、自然坐标、平面曲线运动一、自然坐标、平面曲线运动AB切向以质点前进方向为正，记做切向以质点前进方向为正，记做 或者或者 ，法向以曲线凹侧方向为正，法向以曲线凹侧方向为正，记做记做 或者或者 1.1.质点的位置用轨道长度质点的位置用轨道长度s s表示表示s=s(t)则则:s=s(t+t)s(t)2.速度和速率速度和速率自然坐标系自然坐标系(natural coordinates)使用前提：使用前提：轨道已知轨道已知轨道上选择一点做轨道上选择一点做原点。原点。osenet自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动3.3.3.3.切向加速度和法向加速度切向加速度和法向加速度切向加速度和法向加速度切向加速度和法向加速度第第1 1项表示由于速度大小变化项表示由于速度大小变化所引起的加速度分量所引起的加速度分量,大小大小等于速率变化率等于速率变化率,方向沿轨方向沿轨道切向道切向,称称切向加速度切向加速度(tangential acceleration)第第2项是由速度方向变化所引项是由速度方向变化所引起的加速度分量，为起的加速度分量，为法向加法向加速度速度(normal acceleration)LBA(t)(t+t)当当 t0时时,点点B 趋趋近近于于点点A,等腰等腰 O A B 顶角顶角 0。【补充补充补充补充】推导 极极限限方方向向必必定定垂垂直直于于 ,指指向向轨轨道道凹凹侧侧,与法向单位矢量与法向单位矢量n一致，并且一致，并且O(t)(t+t)B A 若若轨轨道道在在点点A 的的内内切切圆的曲率半径为圆的曲率半径为 自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动反映速度方向变反映速度方向变化的快慢程度化的快慢程度反映速度大小变反映速度大小变化的快慢化的快慢加速度总是指向曲线的凹侧加速度总是指向曲线的凹侧切向加速度切向加速度法向加速度法向加速度总结：总结：自然坐标自然坐标其中其中 曲率半径曲率半径.自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动2.角速度角速度1.角坐标角坐标3.角加速度角加速度又因为线速率又因为线速率AB二、圆周运动二、圆周运动轨迹为圆，曲率半径恒定为轨迹为圆，曲率半径恒定为r又因为又因为自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动角加速度角加速度线量与角量线量与角量s=s(t)=r (t)线量角量角坐标角坐标角速度角速度切向加速度切向加速度（速度大小变速度大小变化引起化引起）法向加速度法向加速度（速度方向变速度方向变化引起化引起）自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动举例：举例：匀速率圆周运动和匀变速率圆周运动匀速率圆周运动和匀变速率圆周运动 1 匀速率圆周运动：速率匀速率圆周运动：速率 和角速度和角速度 都为常量都为常量.2 匀变速率圆周运动匀变速率圆周运动如如 时时,3 一般圆周运动一般圆周运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动 作曲线运动的物体，以下几种说法中哪一种作曲线运动的物体，以下几种说法中哪一种是正确的：是正确的：（A）切向加速度必不为零；）切向加速度必不为零；（B）法向加速度必不为零（拐点处除外）；）法向加速度必不为零（拐点处除外）；（C）由于速度沿切线方向，法向分速度必为零，）由于速度沿切线方向，法向分速度必为零，因此法向加速度必为零；因此法向加速度必为零；（D）若物体作匀速率运动，其总加速度必为零）若物体作匀速率运动，其总加速度必为零 （E）若物体的加速度）若物体的加速度 为恒矢量，它一定作为恒矢量，它一定作匀变速率运动匀变速率运动.讨讨 论论自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动 一飞轮半径为一飞轮半径为2m,其角量运动方程其角量运动方程=2+3t-4t3(SI),求距轴心求距轴心1m处的点在处的点在2s末的速率和切向加速度末的速率和切向加速度例题例题例题例题解解:因为因为则则:在距轴心在距轴心1m处的速率为处的速率为切向加速度为切向加速度为:将将t=2代入代入,得得自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动三、相对运动三、相对运动 在两个相对作直线运动的参考系中，在两个相对作直线运动的参考系中，时间的测量是时间的测量是绝对的，空间的测量也是绝对的，绝对的，空间的测量也是绝对的，与参考系无关，与参考系无关，时间和长度的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础时间和长度的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础.AB 小车以小车以较低的速度较低的速度 沿水平轨道先后通过点沿水平轨道先后通过点 A 和点和点 B.地面上人测得车通过地面上人测得车通过 A、B 两点间的距两点间的距离和时间与车上的人测量结果相同离和时间与车上的人测量结果相同.1、时间与空间时间与空间自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系2、相对运动相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动伽利略（伽利略（Galileo Galilei，15641642）关于两门新科学的对话和数学证明对话集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。方面的研究成果。伽利略所取得的巨大成就，开创了近代物理学伽利略所取得的巨大成就，开创了近代物理学的新纪元。的新纪元。伽利略杰出的意大利物理学家和伽利略杰出的意大利物理学家和天文学家，实验物理学的先驱者。天文学家，实验物理学的先驱者。他提出著名的相对性原理、惯性他提出著名的相对性原理、惯性原理、抛体的运动定律、摆振动的等原理、抛体的运动定律、摆振动的等时性等。时性等。自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动S 系系 系系 *3 3、绝对运动、牵连运动、相对运动绝对运动、牵连运动、相对运动（1）位矢的关系）位矢的关系质点质点P在相对作匀速直线运动在相对作匀速直线运动的两个坐标系中的移动的两个坐标系中的移动绝对位矢绝对位矢相对位矢相对位矢牵连位矢牵连位矢0rrrvvv+=绝对量绝对量=相对量相对量+牵连量牵连量自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动*（3）速度关系）速度关系（2）位移关系）位移关系P简单起见，设简单起见，设开始时，开始时，两坐标系是重合的。两坐标系是重合的。经经过过t时间，时间，质点从质点从P移动移动到到Q，而而S系相对系相对S系移系移动到如图位置，则：动到如图位置，则：绝对量绝对量=相对量相对量+牵连量牵连量自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动 伽利略速度变换伽利略速度变换 注意注意当当 接近光速时，伽利略速度变换不成立！接近光速时，伽利略速度变换不成立！绝对速度绝对速度相对速度相对速度牵连速度牵连速度【相对论相对论洛伦兹变换洛伦兹变换】自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动绝对绝对加速度加速度相对相对加速度加速度牵连牵连加速度加速度 绝对量绝对量=相对量相对量+牵连量牵连量若若则则（4）加速度关系）加速度关系推导：推导：自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动例题例题.河水自西向东流动，速度为河水自西向东流动，速度为10 km/h,10 km/h,一轮船在水一轮船在水中航行，船相对于河水的航向为北偏西中航行，船相对于河水的航向为北偏西3030o o,航速为航速为2020km/hkm/h。此时风向为正西，风速为此时风向为正西，风速为1010km/hkm/h。试求在船试求在船上观察到的烟囱冒出的烟缕的飘向。（设烟离开烟囱上观察到的烟囱冒出的烟缕的飘向。（设烟离开烟囱后即获得与风相同的速度）后即获得与风相同的速度）【注意注意】风向（风向（wind directionwind direction）：气象上把风吹来的）：气象上把风吹来的方向确定为风的方向名称。因此，风来自北方叫做北风，方向确定为风的方向名称。因此，风来自北方叫做北风，风来自南方叫做南风。气象台站预报风时，当风向在某风来自南方叫做南风。气象台站预报风时，当风向在某个方位左右摆动不能肯定时，则加以个方位左右摆动不能肯定时，则加以“偏偏”字，如偏北字，如偏北风。当风力很小时，则采用风。当风力很小时，则采用“风向不定风向不定”来说明。来说明。但物理上说但物理上说“风向为正西风向为正西”，指风的速度矢量方向，即，指风的速度矢量方向，即风从东往西吹，与风从东往西吹，与“西风西风”不同。不同。自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动例题例题.河水自西向东流动，速度为河水自西向东流动，速度为10 km/h,10 km/h,一轮船在水一轮船在水中航行，船相对于河水的航向为北偏西中航行，船相对于河水的航向为北偏西3030o o,航速为航速为2020km/hkm/h。此时风向为正西，风速为此时风向为正西，风速为1010km/hkm/h。试求在船试求在船上观察到的烟囱冒出的烟缕的飘向。（设烟离开烟囱上观察到的烟囱冒出的烟缕的飘向。（设烟离开烟囱后即获得与风相同的速度）后即获得与风相同的速度）解：解：设水用设水用S S；风用风用F F；船用船用C C；岸用岸用D D已知：已知：201010=csfdsdvvv正东正东正西正西北偏西北偏西3030o ovcsvfdvsd自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动方向为南偏西方向为南偏西3030o ovcsvfdvsdvcdvfcvfdvsdvcd自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动例：例：例：例：一辆汽车以一辆汽车以 v1 速度在雨中行使，雨滴落下的速度与速度在雨中行使，雨滴落下的速度与竖直方向成角竖直方向成角 ，问：问：在什么条件下车后的一长方形物在什么条件下车后的一长方形物体刚好不会被淋湿？（设行李伸出车外的长度为体刚好不会被淋湿？（设行李伸出车外的长度为 l，距车，距车顶的距离为顶的距离为 h。）。）lhv1 v2 v1v2v雨车雨车 lh tg =h/l 行李不被淋湿的条件：行李不被淋湿的条件：tg tg h/l v2 cos /(v1-v2 sin )tg =v2 cos /(v1-v2 sin )v雨车雨车=v2-v1，自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动例：例：图示，一实验者图示，一实验者 A 在以在以 10 m/s 的速率沿水平轨道的速率沿水平轨道前进的平板车上控制一台射弹器，此射弹器以与车前进前进的平板车上控制一台射弹器，此射弹器以与车前进方向呈方向呈 度角斜向上射出一弹丸。此时站在地面上的度角斜向上射出一弹丸。此时站在地面上的另一实验者另一实验者 B 看到弹丸铅直向上运动，看到弹丸铅直向上运动，求：求：弹丸上升的高度。弹丸上升的高度。A B速度变换速度变换解：解：地面参考系为地面参考系为 S 系系 平板车参考系为平板车参考系为 系系自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动弹丸上升高度弹丸上升高度解：解：地面参考系为地面参考系为 系，平板车参考系为系，平板车参考系为 系系A B自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动例题、例题、一男孩乘坐一铁路平板车，在平直铁路上匀加速一男孩乘坐一铁路平板车，在平直铁路上匀加速行驶，其加速度为行驶，其加速度为a，他沿车前进的斜上方抛出一球，他沿车前进的斜上方抛出一球，设抛球时对车的加速度的影响可以忽略，如果使他不必设抛球时对车的加速度的影响可以忽略，如果使他不必移动他在车中的位置就能接住球，则抛出的方向与竖直移动他在车中的位置就能接住球，则抛出的方向与竖直方向的夹角应为多大？方向的夹角应为多大？aV0车对地车对地 解：解：抛出后车的位移：抛出后车的位移：球的位移：球的位移：自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动小孩接住球的条件为：小孩接住球的条件为：x1=x2;y=0两式相比得：两式相比得：自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动例例、由楼窗口以水平初速度由楼窗口以水平初速度v0射出一发子弹，取枪口射出一发子弹，取枪口为原点，沿为原点，沿v0为为x轴，竖直向下为轴，竖直向下为y轴轴，并取发射时并取发射时t=0.试求试求：(1)子弹在任一时刻子弹在任一时刻t的位置坐标及轨道方程的位置坐标及轨道方程；(2)子弹在子弹在t t时刻的速度，切向加速度和法向加速度时刻的速度，切向加速度和法向加速度。aagyxov0 n 解解：(1)习习 题题 训训 练练自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动(2)与切向加速度垂直与切向加速度垂直与速度同向与速度同向aagyxov0 n 自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动AB 例例 如图一超音速歼击机在高空如图一超音速歼击机在高空 A 时的水平速率为时的水平速率为 1940 km/h,沿近似于圆弧的曲线俯冲到点沿近似于圆弧的曲线俯冲到点 B,其速率为其速率为 2192 km/h,所经历的时间为所经历的时间为 3s,设圆弧设圆弧 的半径约为的半径约为 3.5km,且飞机从且飞机从A 到到B 的俯冲过程可视为匀变速率圆的俯冲过程可视为匀变速率圆周运动周运动,若不计重力加速度的影响若不计重力加速度的影响,求求:(1)飞机在点飞机在点B 的加速度的加速度;(2)飞机由点飞机由点A 到点到点B 所经历的路程所经历的路程.解解（1）因飞机作匀变速率）因飞机作匀变速率运动所以运动所以 和和 为常量为常量.分离变量有分离变量有自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动AB已知：已知：在点在点 B 的法向加速度的法向加速度在点在点 B 的加速度的加速度 与法向之间夹角与法向之间夹角 为为自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动已知：已知：（2）在时间）在时间 内矢径内矢径 所转过的角度所转过的角度 为为飞机经过的路程为飞机经过的路程为代入数据得代入数据得AB自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动 例例 如图示，一实验者如图示，一实验者 A 在以在以 10 m/s 的速率沿水平的速率沿水平轨道前进的平板车上控制一台射弹器轨道前进的平板车上控制一台射弹器,此射弹器以与车此射弹器以与车前进方向呈前进方向呈 度角斜向上射出一弹丸度角斜向上射出一弹丸.此时站在地面此时站在地面上的另一实验者上的另一实验者 B 看到弹丸铅直向上运动看到弹丸铅直向上运动,求弹丸上升求弹丸上升的高度的高度.A B速度变换速度变换解解 地面参考系为地面参考系为 S 系系 平板车参考系为平板车参考系为 系系自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动自然坐标、圆周运动、角量描述、相对运动弹丸上升高度弹丸上升高度解解 地面参考系为地面参考系为 系，平板车参考系为系，平板车参考系为 系系A B