大学物理学上册第一章课件

1、大学物理大学物理（2-12-1）授课教师授课教师: :朱化凤朱化凤联系电话：联系电话：1346828651913468286519电子邮件：电子邮件：答疑时间答疑时间: :答疑地点：答疑地点：交作业时间交作业时间: :每周第一次课每周第一次课课件下载：课件下载：大学物理（大学物理（2-12-1）大学物理（大学物理（2-12-1） 6464学时学时第第1 1章质点运动学章质点运动学 4 4学时学时第第2 2章牛顿运动定律章牛顿运动定律 4 4学时学时第第3 3章功和能章功和能 2 2学时学时第第4 4章动量和角动量章动量和角动量 6 6学时学时第第5 5章刚体力学基础章刚体力学基础 4+24+2

2、学时学时第第6 6章狭义相对论章狭义相对论 4 4学时学时第第7 7章气体动理论章气体动理论 4 4学时学时第第8 8章热力学基础章热力学基础 4+24+2学时学时第第9 9章机械振动和机械波章机械振动和机械波 8+28+2学时学时第第1010章波动光学章波动光学 10+210+2学时学时第第1111章几何光学章几何光学 2 2学时学时其中：运动会其中：运动会:0:0学时；期学时；期中考试中考试:2:2学时；机动学时；机动:2:2学学时时. .期中考试时间期中考试时间: :估计五一前，估计五一前，具体时间另行通知。具体时间另行通知。重点章节、内容：重点章节、内容：力学：力学：三个守恒定律，三个

3、守恒定律，角动量角动量和转动问题为难点和转动问题为难点相对论：相对论：时空变换、动力学时空变换、动力学热学热学：第一定律及应用：第一定律及应用振动波动：振动波动：简谐振动、简谐波简谐振动、简谐波波动光学：波动光学：干涉、衍射干涉、衍射学习大学物理要求学习大学物理要求1.1.掌握学习方法，适应大学学习，学会自学，多动脑，多看参掌握学习方法，适应大学学习，学会自学，多动脑，多看参考书。考书。2.2.学习中要不断总结学习经验，提高应用高等数学解决物理问学习中要不断总结学习经验，提高应用高等数学解决物理问题和分析问题、解决问题的能力。题和分析问题、解决问题的能力。3.3.在书写中要注意矢量符号、运算中

4、必须注意矢量运算法则。在书写中要注意矢量符号、运算中必须注意矢量运算法则。4.4.作业要及时独立完成并按时交上，课代表要按班级学号排序。作业要及时独立完成并按时交上，课代表要按班级学号排序。成绩分配：平时成绩（包含书面作业成绩分配：平时成绩（包含书面作业5%5%和网络作业和网络作业5%5%）10%10%，期中考试期中考试10%10%，期末考试，期末考试80%80%。5.5.作业要求书写工整，做题时尽量要作图（用直尺和圆规作业要求书写工整，做题时尽量要作图（用直尺和圆规画），并标明图中各量。画），并标明图中各量。6.6.做作业时认真复习，搞清题意，画示意图，明确根做作业时认真复习，搞清题意，画示

5、意图，明确根据，先求文字解（字母代入），再求数字解，讨论结果据，先求文字解（字母代入），再求数字解，讨论结果绪绪 论论1.1.什么是物理学什么是物理学? ? 由于物理学所研究的物质运动具有普遍性，所以物理学在由于物理学所研究的物质运动具有普遍性，所以物理学在自然科学中占有重要地位，成为自然科学和工程科学的基础。自然科学中占有重要地位，成为自然科学和工程科学的基础。 物理学所研究的是物质运动最基本最普遍的形式，包括机物理学所研究的是物质运动最基本最普遍的形式，包括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子内部的运动等。械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子内部的运动等。物理学是探讨物质结构和运

6、动基本规律的学科。物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。 物理学研究宇宙间物质存在的各种形式、性质、运动、物理学研究宇宙间物质存在的各种形式、性质、运动、转化和内部结构，从而认识运动和转化的基本规律。转化和内部结构，从而认识运动和转化的基本规律。 物理学包括许多分支：力学、热学、声学、电磁学、光学、物理学包括许多分支：力学、热学、声学、电磁学、光学、相对论、量子力学、核物理、粒子物理、凝聚态物理等，而每相对论、量子力学、核物理、粒子物理、凝聚态物理等，而每一个分支中又包括多个次分支。一个分支中又包括多个次分支。 物理学的基本概念和每一项突破及产生的新技术，形成的物理学的基本概念和每一项突破

7、及产生的新技术，形成的新分支和交叉科学，促进了自然科学更迅速地发展，从而改新分支和交叉科学，促进了自然科学更迅速地发展，从而改变人类的生活。变人类的生活。宇观：宇观：地磁极是如何产生的？大陆漂移。地磁极是如何产生的？大陆漂移。宇宙的起源？宇宙的起源？ 大爆炸？大爆炸？ 宇宙的演化，黑洞的成因等。宇宙的演化，黑洞的成因等。宇宙的边界？宇宙的边界？有，引力如何解释？无，边在哪儿？边外又有什么？有，引力如何解释？无，边在哪儿？边外又有什么？宏观：宏观：力学：力学：热学：为什么热量从高温物体热学：为什么热量从高温物体自动自动传向低温物体传向低温物体？反向是否可能？反向是否可能？电学：引力与电力计算公式

8、的电学：引力与电力计算公式的对称性？引力与电力是统一的吗？对称性？引力与电力是统一的吗？（大统一理论（大统一理论 ）121222;q qm mFKFGrr引电对称性对称性力学中的三个守恒定律力学中的三个守恒定律物理学研究的空间范围、时间范围物理学研究的空间范围、时间范围时空弯曲；广义相对论时空弯曲；广义相对论光为什么在不同的媒质界面发生折射？折射时为什么遵守折光为什么在不同的媒质界面发生折射？折射时为什么遵守折射定律？（最小作用量原理）射定律？（最小作用量原理）微观：微观：物质的构成单元无限可分吗？物质的构成单元无限可分吗？电子与反电子；质子与反质子；中子与反中子。反物质电子与反电子；质子与反

9、质子；中子与反中子。反物质的宇宙在哪里？反物质世界中的物理规律如何？的宇宙在哪里？反物质世界中的物理规律如何？静电平衡时，为何表面曲率小处电荷密度大？静电平衡时，为何表面曲率小处电荷密度大？光学：光的本质是什么？光在真空中一定沿直线传播吗？光学：光的本质是什么？光在真空中一定沿直线传播吗？介观：介观：介于宏观与微观之间物理现象。介于宏观与微观之间物理现象。 经典物理学经典物理学经典力学经典力学：哥白尼：哥白尼( (波波),),伽利略伽利略( (意意),),牛顿牛顿( (英英) )；热力学理论热力学理论：卡诺，焦耳，开尔文，克劳修斯等；：卡诺，焦耳，开尔文，克劳修斯等；气体气体分子动理论分子动理

10、论：克劳修斯，麦克斯韦，玻耳兹曼等；：克劳修斯，麦克斯韦，玻耳兹曼等；经典电磁理经典电磁理论论：库仑，奥斯特，安培，法拉第，麦克斯韦等。：库仑，奥斯特，安培，法拉第，麦克斯韦等。相对论相对论爱因斯坦爱因斯坦( (德德) )量子力学量子力学普朗克普朗克( (法法),),玻尔玻尔( (丹丹),),伯恩伯恩( (德德),),薛定谔薛定谔( (奥奥),),德布罗意德布罗意( (法法),),海森伯海森伯( (德德),),狄拉克。狄拉克。3.3.物理学与科学技术物理学与科学技术 科学解决理论问题，技术解决实际问题。科学是和未知打科学解决理论问题，技术解决实际问题。科学是和未知打交道，而技术在相对成熟的领域

11、内工作。交道，而技术在相对成熟的领域内工作。非线性物理学非线性物理学( (混沌混沌) )2.2.物理学史及著名物理学家简介物理学史及著名物理学家简介: :物理学的发展已有物理学的发展已有26002600多年的多年的历史历史 事实证明自然科学的理论研究一旦获得重大突破，必将为事实证明自然科学的理论研究一旦获得重大突破，必将为生产和技术带来巨大进步。生产和技术带来巨大进步。科学技术是第一生产力科学技术是第一生产力。1818世纪世纪6060年代年代第一次技术革命第一次技术革命蒸汽机的应用蒸汽机的应用牛顿力学和热力学发展牛顿力学和热力学发展的结果；的结果；1919世纪世纪7070年代年代第二次技术革命

12、第二次技术革命电力的应用电力的应用电磁理电磁理论发展的结果；论发展的结果；2020世纪世纪第三次技术革命第三次技术革命原子能、电子计算原子能、电子计算机、激光等机、激光等相对论和量子力学。相对论和量子力学。六大技术群：能源技术、材料技术、信息技术、生物技术、六大技术群：能源技术、材料技术、信息技术、生物技术、空间技术和海洋技术。空间技术和海洋技术。4.4.物理学的方法论和科学观物理学的方法论和科学观 物理学家已总结出一套获得知识、组织知识和运用知识的有效物理学家已总结出一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法。从新的观察和实验事实中提出命题；建立物理步骤和方法。从新的观察和实验事实中提

13、出命题；建立物理模型，提出新的假说和原理；用新理论对一些物理现象作出预模型，提出新的假说和原理；用新理论对一些物理现象作出预言；理论要用实验事实验证；与事实不符时要对理论进行修言；理论要用实验事实验证；与事实不符时要对理论进行修正。正。 物理学的研究成果源源不断地在高技术发展中得到应用，物理学的研究成果源源不断地在高技术发展中得到应用，而高技术的发展又对物理学提出层出不穷的研究课题。而高技术的发展又对物理学提出层出不穷的研究课题。5.5.怎样学习物理学怎样学习物理学 21 21世纪科学技术的进步，必将在极大程度上依赖于物理学的世纪科学技术的进步，必将在极大程度上依赖于物理学的发展。因此，大学物

14、理教学对于培养具有坚实基础的、能参与国发展。因此，大学物理教学对于培养具有坚实基础的、能参与国际竞争的高级工程技术人才是至关重要的。物理素质是现代高水际竞争的高级工程技术人才是至关重要的。物理素质是现代高水平工程技术人才素质结构中的最基础的部分，素质与知识和能力平工程技术人才素质结构中的最基础的部分，素质与知识和能力是密切相关的，素质的培养需要一定的知识和能力为基础。是密切相关的，素质的培养需要一定的知识和能力为基础。 培养获取知识的能力（课堂教学；博览群书（自学）；互培养获取知识的能力（课堂教学；博览群书（自学）；互相交流讨论；多观察勤思考）；提高科学文化素质；培养提相交流讨论；多观察勤思考

15、）；提高科学文化素质；培养提出问题的能力（对遇到的问题多问几个为什么？）；培养解出问题的能力（对遇到的问题多问几个为什么？）；培养解决问题的能力和提高应用知识的能力。决问题的能力和提高应用知识的能力。B) B) 培养科学素质培养科学素质( (科学方法、科学态度、科学的世界观、人生观科学方法、科学态度、科学的世界观、人生观) )C)C)科学美的体验和感受科学美的体验和感受A) A) 物理学是自然科学的许多领域和工程技术的基础物理学是自然科学的许多领域和工程技术的基础。 物理学是理工科各专业学生的一门重要的基础课。同学物理学是理工科各专业学生的一门重要的基础课。同学们应牢固地掌握物理学的基本理论和

16、基本知识，深刻理解物们应牢固地掌握物理学的基本理论和基本知识，深刻理解物理规律的意义，并在运算能力和独立钻研能力等方面受到严理规律的意义，并在运算能力和独立钻研能力等方面受到严格的训练，为今后学习专业知识及近代科学技术打下必要的格的训练，为今后学习专业知识及近代科学技术打下必要的物理基础。物理基础。 物理学研究多种物质运动形态和多种相互作用，因此物物理学研究多种物质运动形态和多种相互作用，因此物理学具有许多有特色的科学观点和研究方法。例如能量的、理学具有许多有特色的科学观点和研究方法。例如能量的、粒子的、场的、对称与守恒的观点，分析、综合、演绎、归粒子的、场的、对称与守恒的观点，分析、综合、演

17、绎、归纳、叠加、类比、联想、试探以及唯象的、统计的、定性与纳、叠加、类比、联想、试探以及唯象的、统计的、定性与半定量的分析问题的方法。通过物理学的学习，应使自己掌半定量的分析问题的方法。通过物理学的学习，应使自己掌握物理学的这些观点和方法，使之能够根据物理学的普遍规握物理学的这些观点和方法，使之能够根据物理学的普遍规律理解各种物理现象，进而逐步学会抓住物理本质，提出问律理解各种物理现象，进而逐步学会抓住物理本质，提出问题、分析问题与解决问题。题、分析问题与解决问题。本章重点：本章重点：1.2；1.3本章作业：本章作业： 质点运动学研究质点的位置、位移、质点运动学研究质点的位置、位移、速度、加速

18、度等随时间变化的规律。速度、加速度等随时间变化的规律。 第第1 1章章 质点运动学质点运动学1.1.11.1.1、参考系、参考系( (reference frame) )和坐标系和坐标系( (coordinate) )参考系参考系：为了描述物体的运动而选取的参考标准物体。：为了描述物体的运动而选取的参考标准物体。 （运动描述的相对性）（运动描述的相对性）在运动学中，参考系的选择是任意的；在动力学中则不然在运动学中，参考系的选择是任意的；在动力学中则不然坐标系坐标系：直角坐标系直角坐标系、自然坐标系、极坐标系、球坐标系等、自然坐标系、极坐标系、球坐标系等. .说明说明1.1 运动学的一些基本概念

19、运动学的一些基本概念1.1.21.1.2、时间和空间的计量、时间和空间的计量时间表征物理事件的顺序性和物质运动的持续性。时间表征物理事件的顺序性和物质运动的持续性。时间测量的时间测量的标准单位是秒。标准单位是秒。1967年定义秒为铯年定义秒为铯133原子基态的两个超精细原子基态的两个超精细能级之间跃迁辐射周期的能级之间跃迁辐射周期的9192631770倍。量度时间范围从宇宙倍。量度时间范围从宇宙年龄年龄1018s(约约200亿年）到微观粒子的最短寿命亿年）到微观粒子的最短寿命 10-24s.极限的时极限的时间间隔为普朗克时间间间隔为普朗克时间10-43s,小于此时间，现有的时间概念就不适小于此

20、时间，现有的时间概念就不适用了。用了。1 1、时间及其计量、时间及其计量2 2、空间及其计量、空间及其计量空间反映物质运动的广延性。空间反映物质运动的广延性。在巴黎国际标准局在巴黎国际标准局标准米尺；标准米尺；1983年定义米为真空中光在年定义米为真空中光在1/299792458s时间内所行经的距离。时间内所行经的距离。空间范围从宇宙范围的尺度空间范围从宇宙范围的尺度1026 m(约约200亿光年）到微粒的尺度亿光年）到微粒的尺度10-15 m.极限的空间长度为普朗克长度极限的空间长度为普朗克长度10-35m,小于此值，现有的小于此值，现有的空间概念就不适用了。空间概念就不适用了。1.1.31

21、.1.3、质点（、质点（mass point）相对性；理想模型；质点运动是研究物质运动的基础相对性；理想模型；质点运动是研究物质运动的基础. .具有物体的质量，没有形状和大小的几何点。具有物体的质量，没有形状和大小的几何点。说明说明在不能把物体当作质点时，可把整个物体视为由许多个质点组在不能把物体当作质点时，可把整个物体视为由许多个质点组成的质点系，弄清每个质点的运动情况，就可以了解整个物体成的质点系，弄清每个质点的运动情况，就可以了解整个物体的运动。的运动。1.2.11.2.1、位置矢量、位置矢量(position vector)位置矢量的方向位置矢量的方向: : 位置矢量的大小：位置矢量的

22、大小：rzryrx cos ,cos , cos在直角坐标系中位置矢量为在直角坐标系中位置矢量为: :kzjyixr 222zyxrr 1.2 描述质点运动的基本物理量描述质点运动的基本物理量参考系参考系坐标系坐标系原点和坐标轴原点和坐标轴钟钟 在直角坐标系中，在在直角坐标系中，在t 时刻某质点时刻某质点在点在点P的位置可用自坐标系原点的位置可用自坐标系原点O指向指向点点P的有向线段的有向线段 表示，矢量表示，矢量 称为称为位置矢量，简称位矢位置矢量，简称位矢. . rr1.2.21.2.2、运动方程、运动方程质点的位置随时间变化的函数关系，称为质点的位置随时间变化的函数关系，称为质点的运动方

23、程。质点的运动方程。ktzjtyitxr)()()( 在直角坐标系中，在直角坐标系中，),(zyxx 根据轨迹的形状，质点运动分为根据轨迹的形状，质点运动分为直线运动直线运动 和和 曲线运动曲线运动。质点在空间连续经过的各点连成的曲线即质点在空间连续经过的各点连成的曲线即质点的运动轨迹质点的运动轨迹。轨迹方程轨迹方程( (trajectory) )从运动方程中消去从运动方程中消去t，则可得：，则可得：或：或：)(),(),(tzztyytxx 21rrr在直角坐标系中：在直角坐标系中：从质点初位置到质点末位置所引的矢量从质点初位置到质点末位置所引的矢量 定义为位移定义为位移。r 位移矢量的大小

24、位移矢量的大小222zyxr 位移矢量的方向位移矢量的方向rz ,ry ,rxcoscoscos1.2.31.2.3、位移矢量、位移矢量( (displacement) ) 路程路程kzj yixr 1111xyzrijk2222xyzrijk212121()()()xxyyzz rijk)| (|rrrrrr , sr 一一般般。但但srdd 和和是两个不同的概念是两个不同的概念r r4 ）位移只取决于初末位置，与原点的选择无关位移只取决于初末位置，与原点的选择无关（位矢与原点的选择有关）。（位矢与原点的选择有关）。3）位移与路程的区别：位移与路程的区别：2）位移大小位移大小 与与位矢大小增

25、量位矢大小增量 的区别：的区别： r r 说明说明1.2.41.2.4、速度矢量（、速度矢量（Velocity）: : 表示表示质点运动快慢及方向质点运动快慢及方向的物理量的物理量0 t令令 rrr 12 1、平均速度平均速度2、速度速度trtrvddlim0t方向沿切向，并指向前进方向。方向沿切向，并指向前进方向。在直角坐标系中：在直角坐标系中：ktzjtyitxtrvdddddddd tzvtyvtxvzyxdd,dd,dd 222zyxvvvvv 速度大小速度大小平均速度和平均速率；瞬时速度和瞬时速率平均速度和平均速率；瞬时速度和瞬时速率定义：定义：trv 定义：平均加速度定义：平均加速

26、度 = =tv 220trtvtvatddddlim 大小：大小：tvaadd瞬时加速度瞬时加速度: :vvv 方向：方向： t t0 0 时时 的的极限方向极限方向。在曲线运动中，。在曲线运动中， 总是指向曲线的总是指向曲线的凹侧凹侧。v 1.2.51.2.5、加速度矢量（、加速度矢量（acceleration）: :表示表示速度变化快慢速度变化快慢的物理量的物理量在直角坐标系中：在直角坐标系中：kajaiaazyx 222zyxaaaaa 加速度的方向加速度的方向加速度的大小加速度的大小aaaaaazyx cos ,cos ,cos222222dddd,dddd,ddddtztvatytv

27、atxtvazzyyxx 其中分量为其中分量为解解 根据质点根据质点速度的定义速度的定义jtRitR)cos()sin( 则有则有tRv tRvyxcossin ;速度的大小速度的大小222(sin)(cos)2xyv= vvRtRtR根据质点根据质点加速度的定义加速度的定义rjtRitR222)sin()cos( trvddtvadd 例题例题1- -1 已知质点的运动方程是已知质点的运动方程是jtRitRr)sin()cos( 式中式中R,都是正值常量。都是正值常量。求质点的速度和加速度的大小，并求质点的速度和加速度的大小，并讨论它们的方向。讨论它们的方向。加速度的大小加速度的大小则有则有

28、tRatRayx sin ;cos22 2222222)sin()cos( RtRtRaaayx 根据根据矢量的点积运算矢量的点积运算，分别计算，分别计算0 )sin()cos()cos()sin( jtRitRjtRitRrv 0 )sin()cos()cos()sin(22 jtRitRjtRitRav 质点做匀速率圆周运动。质点的速度沿圆的切线方质点做匀速率圆周运动。质点的速度沿圆的切线方向，加速度沿半径指向圆心；速度和加速度互相垂直。向，加速度沿半径指向圆心；速度和加速度互相垂直。结论结论 例题例题1-2 一质点作平面运动，已知加速度为一质点作平面运动，已知加速度为 ，其中，其中A A

29、、B B、均为正常数，且均为正常数，且A AB B, , A A0, 0, B B00。初始条件为。初始条件为t=t=0 0时，时， 。求该质。求该质点的运动轨迹。点的运动轨迹。 2cos,xaAt2sinyaBt, 00 xv,Bvy 0,Ax 000 y解解 这个问题是已知加速度和初始条件求运动方程，进而求出轨这个问题是已知加速度和初始条件求运动方程，进而求出轨迹方程的问题。迹方程的问题。 由加速度三个分量由加速度三个分量 222 tztva,tytva,txtvazzyyxxdddddddddddd222 的定义可得的定义可得 ttxxxtAttAtavv0200sindcos0d tt

30、yyytBttBBtavv0200cosdsindttxtAttAAtvxx000cosdsindttytBttBtvyy000sindcos0d从从x,y的表示式中消去的表示式中消去t ，即可得质点的运动轨迹方程为，即可得质点的运动轨迹方程为: :12222 ByAx结果表明，质点的运动轨迹为结果表明，质点的运动轨迹为椭圆椭圆。 例题例题1-3 一质点沿一质点沿x轴正向运动，其加速度与位置的关系轴正向运动，其加速度与位置的关系为为a=3+2x。若在。若在x=0处，其速度处，其速度v0=5m/s，求质点运动到，求质点运动到x=3m处时所具有的速度。处时所具有的速度。 解解 已知已知 ，由加速度

31、的定义式得：，由加速度的定义式得： xa23 xatv23dd xxvvtxxvtv23dddddddd xxvvd)23(d根据初始条件作定积分根据初始条件作定积分 3 0 5 d)23(dxxvvv1sm81. 7v速度的方向沿速度的方向沿x轴正向。轴正向。 解解 选取选取竖直向上为竖直向上为y轴的正方向轴的正方向，坐标原点在抛点处。，坐标原点在抛点处。kvf 设小球上升运动的瞬时速率为设小球上升运动的瞬时速率为v，阻力系数为，阻力系数为k，则空气则空气阻力阻力为为此时小球的此时小球的加速度加速度为为vmkga 即即)(ddkmgvmktv 作作变换变换yvvtyyvtvdddddddd

32、整理则得整理则得yvkmgvkmgkmdd)/1( 例题例题1-4 以初速度以初速度v0由地面竖直向上抛出一个质量为由地面竖直向上抛出一个质量为m 的小的小球，若上抛小球受到与其瞬时速率成正比的空气阻力，求小球球，若上抛小球受到与其瞬时速率成正比的空气阻力，求小球能升达的最大高度是多大？能升达的最大高度是多大？根据初始条件，作根据初始条件，作定积分定积分 yvvyvkmgvkmgkm 0 dd)/1(0可得可得kmgvkmgvkgmvvkmy/ln)(0220 当小球达到当小球达到最大高度最大高度H 时，时，v = = 0。可得。可得)1ln(0220mgkvkgmvkmH 例题例题1-5 已

33、知一质点由静止出发，它的加速度在已知一质点由静止出发，它的加速度在x轴和轴和y轴上的分轴上的分量分别为量分别为ax=10t和和ay=15t 2 。求。求t=5s 时质点的速度和位置。时质点的速度和位置。解解 取质点的出发点为坐标原点，由定义得取质点的出发点为坐标原点，由定义得215 10ttva, ttvayyxx dddd根据题意，初始条件为根据题意，初始条件为 t=0 ,v0 x=0 ,v0y=0 ，对上式进行积分，得，对上式进行积分，得302205d15 5d10 tttv ,tttvtytx 132s)m 55 jtit(v t=5s代入上式得代入上式得1s)m 625125 ji(v

34、利用初始条件利用初始条件t=0 , x0=0 , y0=0 ，对，对 vx , vy 进行积分，得进行积分，得45d5 35d5 403302/ttty,/tttxtt )m453543jtit(r 即即s代入上式得代入上式得 5 t)m431253625ji(r 切向切向（tangential）单位矢量）单位矢量te法向法向（normal）单位矢量）单位矢量ne1.3.1、自然坐标系、自然坐标系1.3 平面曲线运动平面曲线运动其方向都是随位置（时间）变化的其方向都是随位置（时间）变化的 在质点运动的轨迹上任取一点在质点运动的轨迹上任取一点O作为自然作为自然坐标系的原点，沿轨迹规定一个弧长正方

35、坐标系的原点，沿轨迹规定一个弧长正方向向,则可以用由原点到质点所在位置的则可以用由原点到质点所在位置的狐长狐长s来描述质点的位置来描述质点的位置)(tss 在自然坐标系中弧长在自然坐标系中弧长s是可正可负的坐标量，当质点是可正可负的坐标量，当质点P 位于位于O点狐长正方向一侧时取正值，处于点狐长正方向一侧时取正值，处于O点另一侧时去负值。点另一侧时去负值。ttddsvtveettnnaaaeettaennae称为切向加速度称为切向加速度 称为法向加速度称为法向加速度 速度矢量表示为速度矢量表示为加速度矢量表示为加速度矢量表示为1.3.21.3.2、质点作圆周运动时的切向加速度和法向加速度质点作

36、圆周运动时的切向加速度和法向加速度tsv evvtdd由由加速度的定义加速度的定义Oneddtetedtetetetttd()dddddddvvvtttteevaetnnndd()1 ddddRsvtR tRtReeeetdetenetnddee是矢量，方向垂直于是矢量，方向垂直于并指向圆心，与并指向圆心，与的方向一致。的方向一致。的长度等于的长度等于1 1，于是有，于是有 由于由于te2tnttnnddvvaatRaeeee2t2ddddvsattRva2n 22ntaaaantarctanaa质点速率变化的快慢质点速率变化的快慢质点速度方向变化的快慢质点速度方向变化的快慢切向加速度切向加速

37、度法向加速度法向加速度加速度的大小加速度的大小1.3.41.3.4、圆周运动的角量描述、圆周运动的角量描述1、角位置（角位置（angular position）：）： 3、角位移角位移( (angular displacement) )： 1.3.3 1.3.3 一般平面曲线运动中的切向加速度和法向加速度一般平面曲线运动中的切向加速度和法向加速度POtene曲线上任一点曲线上任一点P P的附近极短的一段曲线上，的附近极短的一段曲线上，可用与它相切处曲率半径为可用与它相切处曲率半径为的圆弧来代的圆弧来代替替,则一般平面曲线运动的切向加速度和法则一般平面曲线运动的切向加速度和法向加速度向加速度tv

38、addt2nva 22ntaaaatnarctanaa 2、运动方程运动方程)(,tRr（瞬时）角速度（瞬时）角速度4、角速度、角速度(angular velocity)平均角速度平均角速度t=5、角加速度角加速度( (angular acceleration) )平均角加速度平均角加速度t=t=t=ddlim0t（瞬时）角加速度（瞬时）角加速度角速度是矢量，其方向垂直于质点运动的平面，指向由右手螺角速度是矢量，其方向垂直于质点运动的平面，指向由右手螺旋法则确定：当四指沿运动方向弯曲时，大拇指的指向就是角旋法则确定：当四指沿运动方向弯曲时，大拇指的指向就是角速度的方向。速度的方向。 220td

39、dddlimt=t=t= 当质点作匀速率圆周运动时，角速度是恒量，角加速度为当质点作匀速率圆周运动时，角速度是恒量，角加速度为零；当质点作变速率圆周运动时，角速度不是恒量，角加速度零；当质点作变速率圆周运动时，角速度不是恒量，角加速度一般也不是恒量。当角加速度是恒量时，质点作匀变速圆周运一般也不是恒量。当角加速度是恒量时，质点作匀变速圆周运动。动。 在匀速率圆周运动中的角位置、角速度和角加速度间的关在匀速率圆周运动中的角位置、角速度和角加速度间的关系与匀加速直线运动中的位移、速度和加速度间的关系形式上系与匀加速直线运动中的位移、速度和加速度间的关系形式上完全类似，它可写为完全类似，它可写为t0

40、20021tt)(20202 1.3.51.3.5、角量与线量的关系、角量与线量的关系s = Rlimlimt0t0s=RttR2ddtnttnnvva =e +e = a e +a et2ddtna = Re + R etvRta = R2na = R 规定角速度矢量的方向由规定角速度矢量的方向由右手右手螺旋法则螺旋法则确定，即右手四指沿质点确定，即右手四指沿质点运动方向弯曲时，大拇指的方向规运动方向弯曲时，大拇指的方向规定为角速度的方向。定为角速度的方向。sinrR sinrv v r ROyxzrvP由由加速度的定义加速度的定义tv=add切向加速度切向加速度法向加速度法向加速度) r(

41、+r=tr+rt=ddddr=atR=at) r(=an2R=an 运动学中的两类问题运动学中的两类问题1、已知质点的已知质点的运动学方程运动学方程求质点的求质点的速度、加速度速度、加速度等问等问题常称为运动学题常称为运动学第一类问题第一类问题2、由由加速度和初始条件加速度和初始条件求求速度方程和运动方程速度方程和运动方程的问题称的问题称为运动学的为运动学的第二类问题第二类问题微分微分积分积分)(trr a , v00 , ,rva)()(trr ,tvv 圆周运动的第二类运动学问题圆周运动的第二类运动学问题积分积分积分积分tv=atddt+v=vdtta00ts=vdd)(ts=s切向加速度

42、切向加速度 at 和初始条件和初始条件速率方程和自然坐速率方程和自然坐标表示的运动方程标表示的运动方程角加速度角加速度 和初始条件和初始条件角速度方程和以角角速度方程和以角量表示的运动方程量表示的运动方程解解 （1）由由角速度角速度和和角加速度角加速度的定义，得的定义，得t=ddt=dd把把 t = 2s代入代入运动方程运动方程、角速度角速度和和角加速度方程角加速度方程，可得，可得22233rad/s2421212rad/s273+2636rad2223+2232=t=+t=t+t= 例题例题1-6 一质点作半径为一质点作半径为 R=1.0m的圆周运动，其运动方程的圆周运动，其运动方程为为 =

43、2t3+3t，其中其中 以以 rad 计，计，t 以以 s 计。计。试求试求：（：（1）t = 2s时质点的角位置、角速度和角加速度。时质点的角位置、角速度和角加速度。 （2） t = 2s时质点的切向加速度、法向加速度和加速度。时质点的切向加速度、法向加速度和加速度。362+t=t= 12（2）根据根据线量与角量的关系线量与角量的关系，可得，可得2R=aR=ant 加速度加速度)(m/s729242ntnntte+e=ea+ea=a加速度的大小加速度的大小2222n2tm/s72972924 aaa设加速度与法向加速度的夹角为设加速度与法向加速度的夹角为，则则9 . 1,0329. 0729

44、24tanntaa222729m/s=271.0=24m/s=241.0=例题例题1-7 如图所示，汽车以如图所示，汽车以5m/s的匀速率在广场上沿半径为的匀速率在广场上沿半径为 R=250m的环形马路上行驶。当汽车油门关闭以后，由于与地的环形马路上行驶。当汽车油门关闭以后，由于与地面的摩擦作用，汽车沿马路匀减速滑行面的摩擦作用，汽车沿马路匀减速滑行50m而停止，试求：而停止，试求：（1）汽车在关闭油门前运动的加速度。）汽车在关闭油门前运动的加速度。（2）汽车在关闭油门后）汽车在关闭油门后4s时运动的加速度。时运动的加速度。vnaaRO解解 （1）汽车关闭油门前时作匀速率圆周运动，）汽车关闭油

45、门前时作匀速率圆周运动，其切向加速度和法向加速度分别为其切向加速度和法向加速度分别为220ntsm100 .R/va,a则，其方向指向环心则，其方向指向环心O。 2nsm10 .aa（2）汽车在关闭油门后滑行）汽车在关闭油门后滑行50m而停止。汽车的切向加速度为而停止。汽车的切向加速度为222202tsm250sm502502 .svva油门关闭油门关闭4（s）时，汽车的速率为）时，汽车的速率为1140t5( 0.25) 4m s4m svva t 此时法向加速度为此时法向加速度为: : 224nsm0640 .Rva总加速度的大小为总加速度的大小为: : 22n2tsm2580 .aaa总加

46、速度与速度的夹角为总加速度与速度的夹角为 83165)256. 0arctan(arctantnaa例题例题1-8 一飞轮以一飞轮以n=1500r/min的转速转动，受到制动而均匀地减的转速转动，受到制动而均匀地减速，经速，经t=50s后静止。后静止。（1）求角加速度）求角加速度和从制动开始到静止时飞轮的转数和从制动开始到静止时飞轮的转数N为多少？为多少？( 2）求制动开始）求制动开始t=25s时飞轮的角速度时飞轮的角速度(3）设飞轮的半径）设飞轮的半径R=1m时，求时，求t=25s时，飞轮边缘上一点的速度、时，飞轮边缘上一点的速度、切向加速度和法向加速度切向加速度和法向加速度解解 （1 1）

47、由匀变速圆周运动基本公式）由匀变速圆周运动基本公式t0220srad14. 3srad5060150020t从开始制动到静止，飞轮的角位移从开始制动到静止，飞轮的角位移及转数及转数N分别为分别为 rad1250rad)5021(5050212200tt)(62521250转N( 2）t=25s时飞轮的角速度时飞轮的角速度为为110srad25s25rad6015002t(3）t=25s时，飞轮边缘上一点的速度为时，飞轮边缘上一点的速度为切向加速度和法向加速度为切向加速度和法向加速度为11sm25s1m25Rv23222n22tsm1016. 6s1m)25(s3.14ms1mRaRa解解 设加

48、速度与速度方向的夹角为设加速度与速度方向的夹角为，则，则tnaa tantantandd2Rvatvant即即 tandd2Rtvv 所以所以两边积分两边积分 tan11tandd0 0 20RtvvRtvvtvv tvRRvv00tantan 例题例题1-9 质点沿半径为质点沿半径为 R 的圆轨道运动，初速度为的圆轨道运动，初速度为v0，加速度与速加速度与速 度方向的夹角恒定，如图所示求速度的大小与时度方向的夹角恒定，如图所示求速度的大小与时间的关系间的关系OPRva解解:取取t=0时质点的位置时质点的位置O为自然坐标系原点，以质点运动的方为自然坐标系原点，以质点运动的方向为自然坐标正向，并

49、设任意时刻向为自然坐标正向，并设任意时刻t质点的速度为质点的速度为v，自然坐标，自然坐标为为s .（1）tvaddt tavddt tvtav0t0ddtva tRtaRva22t2n 2t222t2t2n)(aRtaaaa 代入代入t=1s，可得质点的速度和加速度的大小为，可得质点的速度和加速度的大小为 OO例题例题1-10 质点沿半径质点沿半径R=3m的圆周运动，如图所示。已知切的圆周运动，如图所示。已知切向加速度向加速度at=3m/s2, t=0 时质点在时质点在O点，其速度点，其速度v0=0 ，试求：，试求：（1）t=1s时质点速度和加速度的大小；时质点速度和加速度的大小；（2）第）第

50、2秒内质点所通过的路程。秒内质点所通过的路程。 利用初始条件作定积分利用初始条件作定积分（2 2）由）由 得得 ，利用初始条件作定积分，利用初始条件作定积分tsvdd tvsdd tsttas0t0dd2t21tas 代入数据可得第代入数据可得第2 2秒内质点通过的路程为秒内质点通过的路程为 m5 . 4m)12(32122 s-1-1tsm3sm13 tav2222222t222tsm24. 4sm3)313()( aRtaa1.4 相相 对对 运运 动动 同一质点在不同参考系中的位置矢量、速度和加速度同一质点在不同参考系中的位置矢量、速度和加速度等物理量之间的关系的规律。等物理量之间的关系

51、的规律。物体运动的描述物体运动的描述依赖于依赖于观察者所处的观察者所处的参考系参考系S（oxy)系和系和S(oxy)系在系在t=0时重合，时重合，P,P点点重合。在重合。在t 时间内时间内S相对相对S位移位移D，则，则Drr uvv伽利略速度相加原理伽利略速度相加原理tutvtvd dd dd dd dd dd d0aaa若若u为常量，则为常量，则00aaa在相对作匀速直线运动的不同参考系中观察在相对作匀速直线运动的不同参考系中观察同一质点的运动，所得的加速度相同。同一质点的运动，所得的加速度相同。, rDSrS是 系中测得的，是在 系中测得的。位移相加原理位移相加原理而位移相加原理是相对同一参考系来说的。这里默认了长度和而位移相加原理是相对同一参考系来说的。这里默认了长度和时间的测量与参考系的相对运动无关