1、1第一章 质点运动学1-1 质点运动的描述一、参照系 坐标系 质点1、参照系为描述物体运动而选择的参考物体叫参照系。2、坐标系为了定量地研究物体的运动，要选择一个与参照系相对静止的坐标系。如图 1-1。说明：参照系、坐标系是任意选择的，视处理问题方便而定。3、质点忽略物体的大小和形状，而把它看作一个具有质量、占据空间位置的物体，这样的物体称为质点。说明： 质点是一种理想模型，而不真实存在（物理中有很多理想模型） 质点突出了物体两个基本性质 1）具有质量2）占有位置 物体能否视为质点是有条件的、相对的。二、位置矢量 运动方程 轨迹方程 位移1、位置矢量定义：由坐标原点到质点所在位置的矢量称为位置
2、矢量（简称位矢或径矢） 。如图 12，取的是直角坐标系， 为质点 的位置矢量rP（1-1）kzjyix位矢大小：（1-2）22r方向可由方向余弦确定：r， ，rxcosrysrzcos2、运动方程zyxo参 考 系坐 标 系图 1-yxzP图 1-2r2质点的位置坐标与时间的函数关系，称为运动方程。运动方程 矢量式： （1-3）ktzjtyitxr)()( 标量式： ， ， （1-4）3、轨迹方程从式（1-4）中消掉 ，得出 、 、 之间的关系式。如平面上运动质点，运动方txyz程为 ， ，得轨迹方程为 （抛物线）tx2ty24、位移以平面运动为例，取直角坐标系，如图 13。设 、t时刻质点位
3、矢分别为 、 ，则 时间间隔内位矢变t1r2t化为（1-5）12称 为该时间间隔内质点的位移。r（1-6）jyixr)()(121212大小为 1212讨论： 比较 与 ：二者均为矢量；前者是过程量，后者为瞬时量r 比较 与 （AB 路程）二者均为过程量；前者是矢量，后者是标量。一s般情况下 。当 时， 。0tsr 什么运动情况下，均有 ？sr三、速度为了描述质点运动快慢及方向，从而引进速度概念。1、平均速度如图 1-3， 定义： （1-7）trv称 为 时间间隔内质点的平均速度。vtt(1-8）jijtyixryx方向：同 方向。说明： 与时间间隔 相对应。v)(tt2、瞬时速度粗略地描述了
4、质点的运动情况。为了描述质点运动的细节，引进瞬时速度。v定义： dtrvtt 00limlioxy2r1rrtB,tA,S图 1-33称 为质点在 时刻的瞬时速度，简称速度。vt（1-9）dtrv结论：质点的速度等于位矢对时间的一阶导数。（1-10）jvijtyixt yx式中 ， 。 、 分别为 在 、 轴方向的速度分量。dtxvdtyvxvy的大小： 222yxvdtttr的方向：所在位置的切线向前方向。 与 x 正向轴夹角满足 。v v xyvtg3、平均速率与瞬时速率定义： （参见图 1-3）ttsv内 路 程称 为质点在 时间段内得平均速率。为了描述运动细节，引进瞬时速率。定义： d
5、tstt00limli称 为 时刻质点的瞬时速率，简称速率。v当 时（参见图 1-3） ， ， ，有 t rdsdsr可知： vtdtsv即 （1-11）结论：质点速率等于其速度大小或等于路程对时间的一阶导数。说明： 比较 与 ：二者均为过程量；前者为标量，后者为矢量。v 比较 与 ：二者均为瞬时量；前者为标量，后者为矢量。四、加速度为了描述质点速度变化的快慢，从而引进加速度的概念。1、平均加速度定义： （见图 1-4）tvta12称 为 时间间隔内质点的平均加速度。t2、瞬时加速度为了描述质点运动速度变化的细节，引进瞬时加速度。oxy2r1ttB,tA,图 1-4（ 平 移 ）2124定义：
6、 dtvatt 00limli称 为质点在 时刻的瞬时加速度，简称加速度。（1-12）tr2结论：加速度等于速度对时间的一阶导数或位矢对时间的二阶导数。 jdtyitxjdtvitdvayx 22式中： ， 。 、 分别称为 在 x、y 轴上的分量。2tvax2yxaya的大小： 222dttdtvtaxyx的方向： 与 x轴正向夹角满足a xyag说明： 沿 的极限方向，一般情况下 与 方向不同（如不计空气阻力的斜上抛运vv动） 。瞬时量： ， ， ，rva综上： 过程量： ， ， ，矢量： ， ， ， ， ，标量： ， ，sv五、直线运动质点做直线运动，如图 1-51、位移 ixixr12
7、12： 沿+x 轴方向； ： 沿-x 轴方向。0xr0r2、速度 ivdtxrv， 沿+x 轴方向； ， 沿-x 轴方向。0xv0x3、加速度 iadtvax， 沿+x 轴方向； ， 沿-x 轴方向。0xa0x由上可见，一维运动情况下，由 、 、 的正负就能判断位移、速度和加速度xv的方向，故一维运动可用标量式代替矢量式。ox12xtA, ttB,图 -55六、运动的二类问题运动方程 、 等 第 二 类 问 题 ： 积 分第 一 类 问 题 ： 微 分 va例 1-1：已知一质点的运动方程为 （SI） ，求：jtitr)2( t=1s 和 t=2s时位矢； t=1s 到 t=2s内位移； t=
8、1s 到 t=2s内质点的平均速度； t=1s 和 t=2s时质点的速度； t=1s 到 t=2s内的平均加速度； t=1s 和 t=2s时质点的加速度。解： mjir21m4 mji312 m/strv2 jtidm/s1m/sjiv42 m/s2jtta13 m/s2jdr2例 1-2：一质点沿 x轴运动，已知加速度为 (SI)，初始条件为： 时，ta40t， m。求：运动方程。0v1解：取质点为研究对象，由加速度定义有（一维可用标量式）tdva4由初始条件有： tv04得： 2由速度定义得： 2tdxv由初始条件得：6dtxt021即m32t由上可见，例 1-1和例 1-2分别属于质点运
9、动学中的第一类和第二类问题。1-2圆周运动一、自然坐标系图 2-1中，BAC 为质点轨迹， 时刻质点 P位于 At点， 、 分别为 A点切向及法向的单位矢量，以 Aten为原点， 切向和 法向为坐标轴，由此构成的参照tne系为自然坐标系（可推广到三维）二、圆周运动的切向加速度及法向加速度1、切向加速度如图 1-7，质点做半径为 的圆周运动， 时刻，质rt点速度（2-1）tev式（2-1）中， 为速率。加速度为（2-2）dtevtda式（2-2）中，第一项是由质点运动速率变化引起的，方向与 共线，称该项为切向加速度，记为te（2-3）ttteadv式（2-3）中，（2-4）tt为加速度 的切向分
10、量。ta结论：切向加速度分量等于速率对时间的一阶导数 。 2、法向加速度式（2-2）中，第二项是由质点运动方向改变引起的。如图 1-8，质点由 A点运动到 B点，有CBPA ,t（ 法 向 ）ne切 向 ）(te图 1-6nerA,ttevO图 1-7teA,trddttB,sO图 1-87BAdsevtt因为 ， ，所以 、 夹角为 。OAettttd（见图 1-9）te当 时，有 。0dt因为 ，所以 由 A点指向圆心 O，可有ttetdnte式（2-2 ）中第二项为： nnnt rvdtsrvd2该项为矢量，其方向沿半径指向圆心，称为法向加速度，记为（2-5）nnera2大小为（2-6）
11、vn2式（2-6）中， 是加速度的法向分量。a结论：法向加速度分量等于速率平方除以曲率半径 。3、总加速度（2-7）ntntnt ervdeaa2大小：（2-8）222rvtnt方向： 与 夹角（见图 1-10）满足atetnatg4、一般曲线运动圆周运动的切向加速度和法向加速度也适用于一般曲线运动，只要把曲率半径 看r作变量即可。讨论： 如图 1-10， 总是指向曲线的凹侧。a 时， ，质点做直线运动。此时0nr)0,dvdtvt匀 速 直 线 运 动 （减 速 直 线 运 动 （加 速 直 线 运 动 （dtetedte图 1-9atanaOA,图 1-08 时， 有限，质点做曲线运动。此
12、时0nar)0,dvdtvt匀 速 曲 线 运 动 （减 速 曲 线 运 动 （加 速 曲 线 运 动 （ 斜 抛平 抛竖 直 下 抛抛 体 运 动 匀 速 圆 周 运 动减 速 圆 周 运 动加 速 圆 周 运 动圆 周 运 动曲 线 运 动 特 例三、圆周运动的角量描述1、角坐标如图 1-11， 时刻质点在 A处， 时刻质点在t tB处， 是 OA与 x轴正向夹角， 是 OB与 x轴正向夹角，称 为 时刻质点角坐标， 为 时间t tt间隔内角坐标增量，称为在时间间隔内的角位移。2、角速度平均角速度：定义： （2-9）t称 为平均角速度。平均角速度粗略地描述了物体的运动。为了描述运动细节，需
13、要引进瞬时角速度。定义： （2-10）dttt 00limli（2-11）d结论：角速度等于角坐标对时间的一阶导数。说明：角速度是矢量， 的方向与角位移 方向一致。d3、角加速度为了描述角速度变化的快慢，引进角加速度概念。（1）平均角加速度：设在 内，质点角速度增量为tt定义： （2-t12）ttB,tA,Oxy图 1-9称 为 时间间隔内质点的平均角加速度tt瞬时角加速度：定义： （2-200limli dtttt 13）称 为 时刻质点的瞬时角加速度，简称角加速度。t（2-2dt14）结论：角加速度等于角速度对时间的一阶导数或等于角坐标对时间的二阶导数。说明：角加速度是矢量，方向沿 方向。
14、d4、线量与角量的关系把物理量 、 、 、 、 等称为线量， ， 等称为角量。vatn（1） 、 与 关系如图 2-7， 时，0dt rds有 trt即 （2-15）rv（2） 、 与 关系ta式（2-15）两边对 求一阶导数，有tdrv即 （2-16）at（3） 、 与 关系n22rrvan即 （2-17）1-3相对运动本节讨论一个质点的运动，用两个参考系来描述，并得出两个参考系中物理量（如：速度、加速度）之间的数学变换关系。ddttB,tA,x图 1-2rrsr10一、相对位矢设有参照系 E、M，其上固连的坐标系，如图 1-13，二坐标系相应坐标轴平行，M相对于 E运动。质点 P相对 E、
15、M 的位矢分别为 、 ，相对位矢为：Pr(2-18) Orr结论：P 对 E的位矢等于 P对 M的位矢与 对 E的位矢的矢量和。二、相对位移由（2-18）有（2-19）EOPMErr结论：P 对 E的位移等于 P对 M的位移与 对 E的位移的矢量和。三、相对速度将式（2-18）两边对时间求一阶导数有（2-20）MEPEvv结论：P 对 E的速度等于 P对 M的速度与 M对 E的速度的矢量和。四、相对加速度由式（2-20）对时间求一阶导数有（2-21 ）MEPEa结论：P 对 E的加速度等于 P对 M的加速度与 M对 E的加速度的矢量和。例 1-3：质点做平面曲线运动，其位矢、加速度和法向加速度大小分别为 ， 和 ，ran速度为 ，试说明下式正确的有哪些？v dta 2r dtvan r解：因为标量 矢量，所以不对。又 ，而 ，故不对。2dtra22dtt而 ，因此正tvtn确。xxyOPMrPEEOrp图 1-3
