第01章绪论质点运动学.ppt

大学物理,周诗文,联系手机：13648631198,前言：,感谢各位同学能够选修大学物理课。我们理工科一惯强调物理基础。因此，我们要怀着愿学、感兴趣的心态来进行学习，而不是认为与专业无关等被动的学习心理。为此我们应明确工科学生为什么要学习物理、大学物理该怎样进行学习等问题。,绪 论（40分钟） 一.物理学的研究对象 1.物理学的研究对象 物理学是现代科学的基础，所谓“物”即物质的结构、性质；而“理”则指物质运动、变化的规律。（板：物理学研究宇宙间物质存在的各种主要基本形式，它们的性质、运动和转化以及内部结构，从而认识这些结构的组元及其相互作用，运动和转化的基本规律。） 这是建立在实验基础上的自然科学研究（当然有些是通过理想实验、逻辑推理等多种创新思维而得到的），其研究的范围及广： 在空间尺度从宇宙 m（约150亿光年）到 m； 由此我们可以把物理学的研究对象划分为四种研究系统：微观、介观、宏观、宇观。,介观（纳米系统（1nm到几百个nm，目前研究较红火），主要研究其量子行为和大块系统的宏观性质。这种系统介于宏观与微观之间，因而，既表现宏观性质，又表现微观性质（量子系统）,宇观 十分奇妙的是，大尺度与小尺度两个极限方向存在某些十分对称和共同有着衔接的地方。如尺度为m的通常意义下的连续物质，特殊情况下具有量子行为，反之亦然。例如，对于“薛定猫”的争论，目前就有一种思想认为，对于宏观物质存在“退相干效应”的说法。 在时间尺度 从宇宙年龄 s（150亿年）到硬射线周期 s；在速率范围 从 静止0到光速 m/s, 物理学发展史 可以简单地划分成两个时期，包含四个主要理论。 1. 经典物理学时期 19世纪末以前 a) 经典力学 研究人体尺度物体的运动（v c）及其相互作用。 b) 电磁学 研究带电物体的运动及其相互作用，描述磁现象。 2. 近代物理学时期 19世纪末至今 a) 狭义相对论 澄清时间和空间的概念。 b) 量子力学 研究各种物体的运动及其相互作用。,.现代物理简介 (1)粒子物理学（微观世界） 物质是无限可分的吗？ 物体分子原子原子核基本粒子夸克亚夸克 禁闭夸克已经为实验所证明，物质是否无限可分尚无定论。 自然界是统一的吗？ 我们已经认识到物质世界千变万化的现象，归根到底只通过四种基本相互作用。即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。,300年前（牛顿） 物体运动，天体运动万有引力 10-37 引力子 150年前 电现象，磁现象电磁相互作用力 1 光子 原子核衰变弱相互作用力 10-3 W±，Z 强子相互作用强相互作用力 胶子,在20世纪70年代，温伯格和萨拉姆提出了电-弱相互作用统一理论，并经实验证实。因此仅有三种最基本的相互作用。理论物理学家还提出了大统一理论和超引力理论，企图将这三种最基本的相互作用统一为一种相互作用。但这些理论还未经实验证实。,(2) 宇宙物理学（宇观世界） 极早期宇宙学 光谱红移多普勒效应天体退行宇宙膨胀宇宙奇点大爆炸学说 大爆炸学说已经很多的天文观察所证实。 世界有末日吗？（恒星晚期演化学）,星体平衡 吸力（引力）斥力（热力，辐射压力.） 若吸力斥力： 星体收缩白矮星（M1.4 ）， 中子星（M2.5 M ）， 黑洞（M2.5 M） 宇宙是继续膨胀、或者膨胀后再收缩，还是平直宇宙决定与宇宙的平均质量密度的大小。 研究非常大尺度天地的宇宙论与研究最小世界的粒子物理学已越来越显现出一种共生的关系，两个极端奇妙地衔接在一起，成为密不可分的姊妹学科。这也揭示了物质世界的统一性。,(3)物态物理学 固态（固体物理学） 液态（液态物理学） 凝聚态物理学 气态 等离子态 宇宙间90%以上物质为等离子态，地球电离层（通讯），受控热核聚变，等离子体，磁流体发电工作物质之一，固体等离子体,超密态（白矮星、中子星） 反物质态 基本离子： e-，p，n.,反基本离子：e+，p，n. 质湮反应：物质+反物质释放能量，例如：,（7）真空态 物质的基态，Dirac 真空，李政道真空，真空自发破缺 4极端条件物理学（极限世界） 极低温度： 低温的获得：压缩气体绝热膨胀，液N2（77°K），液H2 （20°K），液He（4.2°K）， 核绝热去磁（ K K） 极低温现象：超导：电阻=0，超导磁体，超导电机；超流：粘度=0,超高压力 静态超高压： 大气压 动态超高压： 大气压（爆炸法，磁压缩法） 白矮星超高压： 大气压 中子星超高压： 大气压（e + p n） 超高压现象： 绝缘体金属转变；金属氢问题：可能的高温超导体和高能燃料；超硬材料：人造金刚石超强磁场,恒定强磁场 奥斯特 脉冲强磁场 奥斯特 爆缩超强磁场 奥斯特 中子星超强磁场 奥斯特 超强磁场现象：动态超高压，改变磁有序,当然,我们在普通物理的学习范围，是一定限制的，没有那么宽泛，也不会深到无法学习。我们只是把其中的基本规律进行介绍，通过这种摘要性的、简明的物理学习留给我们感觉不会象我们出去工作后，便能马上拿到报酬，不会立竿见影。但其作用却是潜在的、长期的、不可估量的。,二、物理学与科学技术的关系 1.物理学为其它应用科学和技术提供必要的知识和值得借鉴研究的方法,(1)物理学的研究方法 (2)学习物理的方法,演绎法：基本定律 数理推理、演算 新理论； 对称分析法； 微元分析法； 隔离分析法； 守恒量的利用； 简化模型的选取； 概念和方法的类比； 定性与定量分析； 量纲分析； ,物理学的这些研究与学习方法，对于训练我们的思维、提高我们提出问题、分析问题、建立问题模型，最终应用模型规律解决实际问题的能力，这是十分有益的。 这些方法与工科应用研究与实践活动中的许多创新思维方法与技能是一脉相承的。 2.物理学与科学技术的关系 物理学与技术有关系吗？听听当年法拉第与英国首相的对话就明白了。 法拉第发现电磁感应律后，英国首相参观其实验室时，问：“电流有什么用处？”法回答不上，但他说，他确信总有一天首相会对电流征税的。,物理学基本规律渗透在自然科的一切领域，应用于生产技术的各部分，是许多自然科学的基础，也是工程技术，特别是高新技术的基础。 历史上物理与技术的关系大致有以下模式： （1）技术-物理-技术（如第一次工业革命：在十七、八世纪，牛顿力学和热力学的发展，顺应了第一次技术革命的需要，其主要标志是蒸汽机的发明、改进和广泛应用，用机器代替人的劳动，人类的劳动生产力第一次获得解放。） （2）物理-技术-物理（如电气化的进程：到了十九世纪，在法拉第-麦克斯韦电磁理论的推动下，人们成功地制造了各种电力、电讯设备，引起工业电气化，使人类进入应用电能的时代，这就是第二次技术革命） 我们周围的事情大部分与物理有关，有的是劳动实践中碰到的问题，建立在实践的基础上，有的是先有物理改进而形成了理论与技术。那些富于创新和实践的科学工作者和劳动运人们建立物理理论、物理模型，在实践中拿过来，进行解决实际问题，在新问题中继续改进。前者如，蒸气机：通过从物理的角度（卡诺循环）设计机器使之从大块头、效率低到小巧、效率高；后者如，发电机、电灯等都是先有物理，才发展,起来的。当然交叉是最要的、最基本的。整体来说，先有物后有技术工程与应用。 特别是，20 世纪以来以上两种模式总是并存、交叉。但几乎所有重大的新技术的创立都是以物理学的发展为先导的（如被誉为第三次工业革命的整个信息技术的产生、发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础）例如：,物理：二原子在不同能级是否可用外界光子诱导（光子能量正好满足两个能级差），是否能把高能态的原子诱导下来，发射光子，这些光子再诱导其它更多的光子下来。从而形成发出方向性好、光强强的光，按照这个思路去做，产生了激光器。 技术：固体、液体、气体不同频率段等实现手段，有着许多的应用,物理：形成现代光学,按照固体能带理论进行人工材料设计 （如最基本的二极管）通过掺杂，人工能带设计出一些新性质的材料（如放大信号等）,集成电路超大规模的集成度（0.13m）,物理学的发展对工程技术发展的推动作用至少可以从以下几个方面来认识： (1)物理学的发展促进形成科学技术的前沿新领域。在历史上，相对论关于质能关系的确立、原子核结合能的研究和裂变现象的发现开辟了原子核能利用的新领域。如今物理学的深入发展，促进形成了众多工程技术的前沿新领域。例如高温超导电性的研究展现了一个应用广泛、潜力巨大的崭新的技术领域，将对国民经济、军事技术、医疗卫生和各种高新产业产生难以估量的深远影响；激光器的发明、光导纤维的制成在有线通讯技术领域引起一场重大的革新；空间遥感技术也是在物理学发展的基础上形成的新领域，利用卫星拍摄的照片，在大地测量、矿藏勘探、天气预报、掌握生态环境的变迁和减少自然灾害等方面发挥了重要的作用。 (2)物理学的发展为科学技术提供了新的研究手段。由物理学中的核磁共振现象开发出的核磁共振成像技术可逐层清晰地细察人体的内部，诊断体内各器官的疾病，且无扰动、无侵害、无电离辐射、是人体诊断技术的重大革命；利用量子隧道效应制成的扫描隧道显微镜可观察到物体表面原子尺度的细微结构，为表面物理和分子生物学研究提供了有力的手段；集成光学的研究成果为制造运算速度更快、抗干扰能力更强的新一代计算机提供了基础。 (3)物理学的发展也为技术开发提供了新思路。物理学的每一项新发展总是观察到新的现象，找到新的联系，实现新的构想，揭示新的本质属性，从而也就提供了技术开发的新的可能性。例如放射性元素衰变指数规律的发现和放射性元素的半衰期的测定之后，卢瑟福立刻意识到可用放射性元素的衰变来测量时间，从而逐渐形成了今天的同位素年代学，已广泛用于考古学中测定文物的年代，地质学中测定地层年龄以及天体物理中估计天体的年龄，等等。物理学与工程技术的密切关系是由物理学的基础性质所决定。正是由于物理学是其它自然科学以及技术科学的基础学科，它的影响力才会如此的深厚，影响面才会如此的广阔；也正是因为物理学的基础性质，其它科学技术需要物理学从根基研究上作出应有的贡献。 以上诸多的事例无不说明了“昨天的科学，今天的技术，明天的高效经济”这样一条真理；目前存在的重技术、轻科学(尤其是基础科学)是危害性极大的错误倾向。,三、工科学生必须学好物理课 工科院校肩负着为国家培养高级工程技术人才的重任。培养跨世纪的优秀人才，物理教学具有特殊的地位和作用。 物理学研究自然界最普遍最基本的运动形态及其运动发展的规律，这种最普遍最基本的运动形态寓于各种高级复杂的运动形态之中，成为其组成的基础，因此物理学是学习一切工程技术知识的基础课。也正是因为物理学的基础性质，它的研究最早，是发展得最为成熟的学科。物理学研究所形成的物质观、自然观、时空观、宇宙观对整个人类文化都产生了极深刻的影响，是各行各业科技人员必须具备的基本观点；物理学研究所形成的种种方法，如理论与实验、分析与综合、归纳与演绎、类比联想与猜测试探、理想化方法与模型化方法、估算与概算、统计方法等，是科学研究的有效方法，也是培养和提高,人才能力素质的最有效的方法；物理学研究中注重理性、崇尚实践的精神尤为突出，是创造性人才必须具备的品格。当代科学技术的发展呈现出愈来愈多地吸取，应用和借鉴物理学研究成果的趋势，二十多年来化学、地学、生命科学等学科的进展得益于物理学的基本概念和技术被应用于这些学科。高新技术的发展过程实际上是近代物理向各个领域渗透的过程。学好物理，特别是近代的物理，才能掌握新技术、应用新技术、发展新技术。 物理学是工科大学各专业的一门重要的基础课。学生应该牢固地掌握物理学的基本理论和基本知识，深刻地理解物理规律的意义，并在实验技能及独立钻研能力等方面得到严格的训练，为今后成为优秀的工程技术人才奠定必要的物理基础。 （1）农大办学传统：基础厚、要求严、重实践、求创新； （2）素质教育与科学素养：培养大学生的科学素养，通过大学物理的学习，培养科学思维方法和研究方法，才能提高人才的挡次，即培养人的科学思维方法、方式、能力。为此，应通过基础课，特别是进行数理学习来进行培养。,以上无非是说明物理对我们的工作学习及以后的发展是有用的，作为教师深感责任重大，身在此位置，一定会把自己担负的这部分工作渴力做好。希望我们能够和谐合作，取得满意的效果。 至于我们的学习究竟有没有用处、该怎样才能取得更好的效果，课后大家可以继续讨论，向我提出自己的建议。 最后，说说本期内容、学时按排及考核和上课作业等要求。 （1）内容：机械运动（质点系力学、刚体力学、相对论力学、机械波动学；热运动（热力学基础与气体动理论）；电磁运动（电磁学和光学）；量子运动（量子物理基础） （2）学时：80课时，其中理论课程50课时，实验课30课时。（从本周到期13周结束，本人只上理论课）（学习内容多、课时少、任务紧，请注意方法提高效率） （3）考核与考式：考试占领70%，平时占30%。其中平时，包括作业，课堂出勤、上课态度、参予情况等，以及实验。（理论课考试由本人出题，实验课由执教老师）,（4）要求：原则上要出满勤、上课积极认真，适当作些笔记、作业工整而不敷衍、课后、考前及时温习、注重在生活、专业学习中应用物理知识及物理思维；作业2周交一次，平均每次题。 （5）温馨提醒：严要求：每缺一次作业扣2分，每无故缺勤一次扣2分。从经验来看，不及格者常缺勤、缺交业的多些。宽通过：对于考试接近来60分的如58以上者，且学习,态度好的同学可以“万岁”。 （6）学习注意事项（如何学好大学物理）：在具有一定的数学基础（矢量、微分积分、微分方程）上，应掌握正确的学习方法，明确“教材为心，多方突破，循序渐进，融会贯,通”的普遍学习方法。 通常，学习一种新理论或新知识，总是先选定一本具有代表性的、较好的书，而后采取种种手段（阅读、参考其它相关资料、多方求教、做实验）将其弄懂、吃透。 大学物理课程的教学可以按照这一过程展开的。 为了掌握教材中的理论和知识，采取如下步骤： 课前预习 培养自学能力，对有疑问的内容作针对性的听课。（看第一遍书） 听课 弄懂有疑问的部分，发现自学理解错误的内容，又出现问题。（记笔记） c. 看书 进一步弄懂课堂讲授的内容，对照笔记解决出现的问题。（看第二遍书） d. 做作业 发现解决又出现的问题，培养解决处理问题的能力，养成踏踏实实、一丝不苟、仔细认真的良好习惯。 e. 辅导答疑、同学之间进行讨论 解决问题、发现问题，加深对教材的理解。,g. 总复习 通读全书，理解、掌握所学内容并将之串为一体，形成系统。（看第三遍书） h. 考试 检验学习情况，再次发现问题并解决之。 2. 抓住基本问题，透过现象认识本质 首先深刻理解基本概念，接着牢固掌握基本规律，最后熟练应用基本理论。 a. 对相应的物理现象作仔细的观察和研究，加深概念的理解和掌握，力图抓住其本质。 b. 注意物理规律的两种表述 文字描述和数学公式表示，能将数学公式和文字表示相对照。 （对于文字描述，要逐字逐句的仔细推敲，深刻理解其揭 示的物理规律。 对数学公式表示，结合物理模型搞清其来龙去脉及物理意义，注意适用条件和单位。） c. 通过做题，深入理解并熟练应用所学基本理论,质点运动学 质点与质点系动力学 刚体力学基础,力 学,机 械 振 动 基 础,(mechanic),第一章 质点的运动,教学基本要求,一 掌握位置矢量、位移、加速度等描述质点运动及运动变化的物理量 . 理解这些物理量的矢量性、瞬时性和相对性 .,二 理解运动方程的物理意义及作用 . 掌握运用运动方程确定质点的位置、位移、速度和加速度的方法，以及已知质点运动的加速度和初始条件求速度、运动方程的方法 .,三 能计算质点在平面内运动时的速度和加速度，以及质点作圆周运动时的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度 .,四 理解伽利略速度变换式, 并会用它求简单的质点相对运动问题 .,§1-1质点 参考系 运动表式,一、质点(particle)的概念,(1)理想模型 (为了简化问题) (2)条件 研究的问题中大小和形状不起显著作用,只具有质量,大小和形状可以忽略的几何点,物体：具有大小、形状、质量和内部结构的物质形态。,一般情况下，物体各部分的运动不相同，在运动的过程中大小、形状可能改变，这使得运动问题变得复杂。,§1-1质点 参考系 运动表式,§1-1质点 参考系 运动表式,可以作为质点处理的物体的条件：大小和形状对运动没有影响或影响可以忽略。,研究地球公转,地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影响，作为质点处理。,§1-1质点 参考系 运动表式,研究地球自转,地球上各点的速度相差很大，因此，地球自身的大小和形状不能忽略，这时不能作质点处理。,§1-1质点 参考系 运动表式,二、参考系(frame of referece)和坐标系,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 坐标系 (system of coordinates) 要定量描述物体的位置与运动情况，就要运用数学手段，采用固定在参考系上的坐标系。,§1-1质点 参考系 运动表式,常用的坐标系有直角坐标系(x,y,z)，极坐标系(,)，球坐标系(R, )，柱坐标系(R, ,z )，自然坐标系。,§1-1质点 参考系 运动表式,四、运动表式,直角坐标,质点的位置随时间按一定规律变化，位置用坐标表示为时间的函数，叫做 运动表式。,质点在空间运动所经过的路迹称为轨道方程。在运动方程中消去时间 t .得到质点的轨迹方程,x2+y2=R2,(消去t),§1-2 位移 速度 加速度,§1-2 位移 速度 加速度,在直角坐标系中，用来确定质点所在位置的矢量，叫做位置矢量，简称位矢。位置矢量是从坐标原点指向质点所在位置的有向线段。,位置矢量,一、位矢,§1-2 位移 速度 加速度,二、位移(displacement),§1-2 位移 速度 加速度,A) 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.,B）反映了运动的矢量性和叠加性.,§1-2 位移 速度 加速度,位移与路程,（B） 一般情况, 位移 大小不等于路程.,（D）位移是矢量, 路程是标量.,（C）什么情况 ？,不改变方向的直线运动; 当 时 .,§1-2 位移 速度 加速度,1 平均速度,在 时间内, 质点从点 A 运动到点 B, 其位移为,时间内, 质点的平均速度,平均速度 与 同方向.,平均速度大小,或,三 速度(velocity),§1-2 位移 速度 加速度,2 瞬时速度,当质点做曲线运动时, 质点在某一点的速度方向就是沿该点曲线的切线方向.,当 时平均速度的极限值叫做瞬时速度, 简称速度,当 时,§1-2 位移 速度 加速度,瞬时速率：速度 的大小称为速率,若质点在三维空间中运动,其速度为,§1-2 位移 速度 加速度,平均速率,瞬时速率,§1-2 位移 速度 加速度,四 、 加速度,v,v (t ),v (t+t ),-描述质点速度变化情况(大小.方向),1.速度增量,注意 的方向,2.平均加速度,大小,方向,的方向,§1-2 位移 速度 加速度,方向是否一致,？,其方向是,时,的极限方向,指向曲线凹的一边.,§1-2 位移 速度 加速度,加速度大小,加速度,加速度大小,质点作三维运动时加速度为,§1-2 位移 速度 加速度,吗？,§1-2 位移 速度 加速度,问 吗？,因为,所以,而,例 匀速率圆周运动,所以,§1-2 位移 速度 加速度,一 由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的位矢、速度和加速度；,二 已知质点的加速度以及初始速度和初始位置, 可求质点速度及其运动方程 .,五、质点运动学两类基本问题,小结：,1.分解成分量,x,y,z,2.每一分量求导,3.合成,§1-2 位移 速度 加速度,小结：,1.分解成分量,x,y,z,2.每一分量求导,3.合成,§1-2 位移 速度 加速度,1.微分法,已知 求任意时刻,2.积分法,已知初始条件,求任意时刻,§1-2 位移 速度 加速度,例 1 设质点的运动方程为 其中 （1）求 时的速度.（2） 作出质点的运动轨迹图.,解 （1）由题意可得速度分量分别为,时速度为,速度 与 轴之间的夹角,例题-求va,§1-2 位移 速度 加速度,（2） 运动方程,由运动方程消去参数 可得轨迹方程为,§1-2 位移 速度 加速度,例2: 质点沿 x 轴作匀变速直线运动，加速度,为 a ，t=0 时坐标为 , 速度为 ，求运,动方程及速度 v.,由速度的定义,例题-求运动方程,§1-2 位移 速度 加速度,§1-3圆周运动及其描述,联体运动例题,例2 如图所示, A、B 两物体由一长为 的刚性细杆相连, A、B 两物体可在光滑轨道上滑行.如物体A以恒定的速率 向左滑行, 当 时, 物体B的速率为多少？,解 建立坐标系如图,OAB为一直角三角形，刚性细杆的长度 l 为一常量,物体A 的速度,物体B 的速度,§1-3圆周运动及其描述,两边求导得,即,沿 轴正向, 当 时,§1-3圆周运动及其描述,§1-3圆周运动及其描述,§1-3圆周运动及其描述,在曲线上的各点固结一系列由当地的切线和法线所组成的坐标系称自然坐标系。,一、自然坐标系,§1-3圆周运动及其描述,质点作变速率圆周运动时,切向加速度,切向单位矢量的时间变化率,二、 圆周运动的切向加速度和法向加速度 角加速度,§1-3圆周运动及其描述,切向加速度（速度大小变化引起）,法向加速度（速度方向变化引起）,圆周运动加速度,§1-3圆周运动及其描述,切向加速度,减小,增大,§1-3圆周运动及其描述,角速度,角坐标,角加速度,速 率,三、圆周运动的角量描述,§1-3圆周运动及其描述,1 匀速率圆周运动：速率 和角速度 都为常量 .,2 匀变速率圆周运动,如 时,常量,一般曲线运动（自然坐标）,其中 曲率半径 .,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,圆周运动既可以用速度、加速度描述，也可以用角速度、角加速度描述，二者应有一定的对应关系。,0,0+,在t 时间内，质点的角位移为，则A、B间的弧将满足下面的关系,AB,两边同除以 t，并取极限得到速度与角速度之间的关系：,三. 线量与角量之间的关系,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,（2 ）,（3 ）,（1）,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,在t 时刻，质点运动到位置 s 处。其速度为：,s,s,解：先作图如右，t = 0 时，质点位于s = 0 的p点处。,P,（1） t 时刻质点的总加速度的大小； （2） t 为何值时，总加速度的大小为b ； （3）当总加速度大小为b 时，质点沿圆周运行了 多少圈。,例 一质点沿半径为R的圆周按规律 运动， v0、b 都是正的常量。求：,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,（2）令a = b ，即,R,o,s,（1）t 时刻切向加速度、法向加速度及加速度大小:,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,（3）当a = b 时，t = v0/b ，由此可求得质点历经 的弧长为,它与圆周长之比即为圈数：,R,o,s,得,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,解（1）因飞机作匀变速率运动所以 和 为常量 .,分离变量有,例题圆周运动,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,已知：,在点 B 的法向加速度,在点 B 的加速度,与法向之间夹角 为,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,已知：,（2）在时间 内矢径 所转过的角度 为,飞机经过的路程为,代入数据得,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,一、运动的相对性,同一物体相对于不同的参考系而言，描述其运动 状态的结果是不同的。由于位置（矢量）、速度和加 速度矢量，均为描述质点运动的物理量，它们只能对 某一参考系而言，因此具有相对性 。,1.运动的火车走动上的人，相对于火车和地球固定物的的位置、速度，加速度。,2.流水中的船相对于水和岸的速度。,3.刮风下雨时，人奔跑时雨的方向，和静止时雨方向的区别。,第一章 质 点 运 动 学,变换 不同参照系对同一运动的描述之间的数学对应关系。,约定,重合时,任意时刻,二、伽利略变换,第一章 质 点 运 动 学,伽利略变换,或,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,三、速度变换,速度变换,位移关系,质点在相对作匀速直线运动的两个坐标系中的位移,S 系 系,第一章 质 点 运 动 学,§1-3圆周运动及其描述,伽利略速度变换,绝对速度,相对速度,牵连速度,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,四、加速度变换,加速度关系,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,例 如图示，一实验者 A 在以 10 m/s 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方向呈 度角斜向上射出一弹丸 . 此时站在地面上的另一实验者 B 看到弹丸铅直向上运动, 求弹丸上升的高度 .,速度变换,解 地面参考系为 S 系 平板车参考系为 系,例-运动小车,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,弹丸上升高度,解 地面参考系为 系，平板车参考系为 系,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,例：一货车在行驶过程中，遇到5m/s竖直下落的大雨，车上紧靠挡板平放长为l=1md的木板，如果木板上面距离挡板最高端的距离h=1m,问货车以多大的速度行驶，才能使木板不致淋雨？,解：由题意，为使木板不致淋雨，则雨滴对货车的速度的方向与地面的夹角必须满足下式：,P26例-小车淋雨,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,而在货车行驶时，它对地面的速度和雨滴对地面的速度及雨滴对货车的速度必须满足图示关系，所以,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,如图所示，物体A沿物体B斜面下滑的速度为1，此时B对水平桌面向左运动速度为2。求A物体对桌面速度的大小和方向。,解： 对A物体的运动描述，可选两个参考系，设B物体为B参考系（运动），桌面为C参考系（静止）。由运动的相对性，可得,例,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,A对C=A对B+B对C,即, =1+2,如图并可得在水平方向和竖直方向的分量为,得,第一章 质 点 运 动 学,§1-5运动关系的相对性 伽利略坐标变换,本章 小结,一、重要概念： 1、位矢、位移、速度、加速度等物理量都是矢量。 2、上述物理量的大小、方向、分量表达式等。 3、切向加速度、法向加速度等概念，角量与线量的关系。 4、矢量“增量的大小”与该矢量“大小的增量”。 二、基本规律 1、运动描述的相对性。 2、运动叠加性原理。 3、伽利略坐标变换。,三、重要公式 1、位矢：,2、位矢的大小：,3、位移：,4、速度：,5、速率：,6、加速度：,7、加速度的大小,8、速度和加速度的方向,9、切向加速度和法向加速度,10、角速度和角加速度,11、伽利略坐标变换,12、速度变换,13、加速度变换,习题讲解,3在离水面高度为h的岸边，有人用绳子拉船靠岸，船在离岸边s距离处，当人以速率0匀速收绳时，试求船的速率和加速度大小。,解：建立如图所示的坐标系,根据题意,由图中几何关系,船的速率,1-6,船的加速度大小,当x=s时,完,2一质点的运动方程为x=3t+5，y=0.5t2+3t+4(SI制)。(1)以t为变量，写出位矢的表达式；(2)画出它的轨迹；(3)求质点在t=4s时速度的大小和方向。,解：(1)位矢的表达式,1-9,（2）由运动方程消去t得,(2)质点的速度,质点的4s时的速度,速度与x方向的夹角,完,6设河面宽l=1km，河水由北向南流动，流速=2m/s，有一船相对于河水以=1.5m/s的速率从西岸驶向东岸。 (1)如果船头与正北方向成=15角，船到达对岸要花多少时间？到达对岸时，船在下游何处？ (2)如果船到达对岸的时间最短，船头与河岸应成多大角度，最短时间等于多少，到达对岸时，船在下游何处？ (3)如果要使船相对于岸走过的路程为最短，船头与河岸的夹角为多大？到达对岸时，船又在下游何处？要花多少时间？,1-16,船到达对岸要花的时间,船到达对岸时，在下游的坐标,解：建立如图所示的坐标系,(1)船的速度分量,（2）显然船头对着对岸开时，在水平方向的分速度最大，此时用时最短，此时船头与岸成直角开，即 。,(2)船的速度分量,船的运动方程,船到达对岸时,船头与河岸的夹角,船到达对岸要花的时间,船到达对岸时，在下游的坐标,完,