1、高考资源网（） 您身边的高考专家力学教程第二讲 运动学图2-1-1211、参照物和参照系要准确确定质点的位置及其变化，必须事先选取另一个假定不动的物体作参照，这个被选的物体叫做参照物。为了定量地描述物体的运动需要在参照物上建立坐标，构成坐标系。通常选用直角坐标系Oxyz，有时也采用极坐标系。平面直角坐标系一般有三种，一种是两轴沿水平竖直方向，另一是两轴沿平行与垂直斜面方向，第三是两轴沿曲线的切线和法线方向（我们常把这种坐标称为自然坐标）。212、位矢 位移和路程在直角坐标系中，质点的位置可用三个坐标x，y，z表示，当质点运动时，它的坐标是时间的函数x=X（t） y=Y（t） z=Z（t）这就是
2、质点的运动方程。质点的位置也可用从坐标原点O指向质点P（x、y、z）的有向线段来表示。如图2-1-1所示, 也是描述质点在空间中位置的物理量。的长度为质点到原点之间的距离，的方向由余弦、决定,它们之间满足当质点运动时,其位矢的大小和方向也随时间而变,可表示为=(t)。在直角坐标系中,设分别为、沿方向、和单位矢量，则可表示为 O2图2-1-2位矢与坐标原点的选择有关。研究质点的运动，不仅要知道它的位置，还必须知道它的位置的变化情况，如果质点从空间一点运动到另一点，相应的位矢由1变到2，其改变量为称为质点的位移，如图2-1-2所示，位移是矢量，它是从初始位置指向终止位置的一个有向线段。它描写在一定
3、时间内质点位置变动的大小和方向。它与坐标原点的选择无关。213、速度平均速度 质点在一段时间内通过的位移和所用的时间之比叫做这段时间内的平均速度平均速度是矢量，其方向为与的方向相同。平均速度的大小，与所取的时间间隔有关，因此须指明是哪一段时间（或哪一段位移）的平均速度。瞬时速度 当为无限小量，即趋于零时，成为t时刻的瞬时速度，简称速度 瞬时速度是矢量，其方向在轨迹的切线方向。瞬时速度的大小称为速率。速率是标量。214、加速度平均加速度 质点在时间内，速度变化量为，则与的比值为这段时间内的平均加速度平均加速度是矢量，其方向为的方向。瞬时加速度 当为无限小量，即趋于零时，与的比值称为此时刻的瞬时加
4、速度，简称加速度加速度是矢量，其方向就是当趋于零时，速度增量的极限方向。215、匀变速直线运动加速度不随时间t变化的直线运动称为匀变速直线运动。若与同方向，则为匀加速直线运动；若与反方向，则为匀减速直线运动。匀变速直线运动的规律为： Ost12t1t2图2-1-3Ovt图2-1-4匀变速直线运动的规律也可以用图像描述。其位移时间图像（st图）和速度时间图像（vt图）分别如图2-1-3和图2-1-4所示。从(st)图像可得出：(1)任意一段时间内的位移。(2)平均速度，在（）的时间内的平均速度的大小，是通过图线上点1、点2的割线的斜率。(3)瞬时速度，图线上某点的切线的斜率值，等于该时刻的速度值
5、。从st图像可得出：从(vt)图像可得出：(1)任意时刻的速度。(2)任意一段时间内的位移，时间内的位移等于vt图线，时刻与横轴所围的“面积”。这一结论对非匀变速直线运动同样成立。(3)加速度，vt图线的斜率等于加速度的值。若为非匀变速直线运动，则vt图线任一点切线的斜率即为该时刻的瞬时加速度的大小。2.2 运动的合成与分解相对运动221、运动的合成与分解(1)矢量的合成与分解矢量的合成与分解的基本方法是平行四边形法则，即两分量构成平行四边形的两邻边，合矢量为该平行四边形与两分量共点的对角线。由平行四边形法则又衍生出三角形法则，多个矢量的合成又可推导出多边形法则。同一直线上的矢量的合成与分解可
6、以简化为代数运算，由此，不在同一直线上的矢量的合成与分解一般通过正交分解法进行运算，即把各个矢量向互相垂直的坐标轴投影，先在各轴上进行代数运算之后，再进行矢量运算。(2)运动的合成和分解运动的合成与分解是矢量的合成与分解的一种。运动的合成与分解一般包括位移、速度、加速度等的合成与分解。运动的合成与分解的特点主要有：运动的合成与分解总是与力的作用相对应的；各个分运动有互不相干的性质，即各个方向上的运动与其他方向的运动存在与否无关，这与力的独立作用原理是对应的；位移等物理量是在一段时间内才可完成的，故他们的合成与分解要讲究等时性，即各个运动要取相同时间内的位移；瞬时速度等物理量是指某一时刻的，故它
7、们的合成分解要讲究瞬时性，即必须取同一时刻的速度。两直线运动的合成不一定就是直线运动，这一点同学们可以证明。如：两匀速直线运动的合成仍为匀速直线运动；两初速为零（同一时刻）的匀加速直线运动的合成仍为初速为零的匀加速直线运动；在同一直线上的一个匀速运动和一个初速为零的匀变速运动的合运动是一个初速不为零的匀变速直线运动，如：竖上抛与竖下抛运动；不在同一直线上的一个匀速运动与一个初速为零的匀加速直线运动的合成是一个曲线运动，如：斜抛运动。222、相对运动任何物体的运动都是相对于一定的参照系而言的，相对于不同的参照系，同一物体的运动往往具有不同的特征、不同的运动学量。通常将相对观察者静止的参照系称为静
8、止参照系；将相对观察者运动的参照系称为运动参照系。物体相对静止参照系的运动称为绝对运动，相应的速度和加速度分别称为绝对速度和绝对加速度；物体相对运动参照系的运动称为相对运动，相应的速度和加速度分别称为相对速度和相对加速度；而运动参照系相对静止参照系的运动称为牵连运动，相应的速度和加速度分别称为牵连速度和牵连加速度。绝对运动、相对运动、牵连运动的速度关系是：绝对速度等于相对速度和牵连速度的矢量和。这一结论对运动参照系是相对于静止参照系作平动还是转动都成立。当运动参照系相对静止参照系作平动时，加速度也存在同样的关系：当运动参照系相对静止参照系作转动时，这一关系不成立。如果有一辆平板火车正在行驶，速
9、度为（脚标“火地”表示火车相对地面，下同）。有一个大胆的驾驶员驾驶着一辆小汽车在火车上行驶，相对火车的速度为，那么很明显，汽车相对地面的速度为：（注意：和不一定在一条直线上）如果汽车中有一只小狗，以相对汽车为的速度在奔跑，那么小狗相对地面的速度就是从以上二式中可看到，上列相对运动的式子要遵守以下几条原则：合速度的前脚标与第一个分速度的前脚标相同。合速度的后脚标和最后一个分速度的后脚标相同。前面一个分速度的后脚标和相邻的后面一个分速度的前脚标相同。所有分速度都用矢量合成法相加。速度的前后脚标对调，改变符号。以上求相对速度的式子也同样适用于求相对位移和相对加速度。相对运动有着非常广泛的应用，许多问
10、题通过它的运用可大为简化，以下举两个例子。6030vB=20m/svA=10m/s图2-2-1例 如图2-2-1所示，在同一铅垂面上向图示的两个方向以的初速度抛出A、B两个质点，问1s后A、B相距多远？这道题可以取一个初速度为零，当A、B抛出时开始以加速度g向下运动的参考系。在这个参考系中，A、B二个质点都做匀速直线运动，而且方向互相垂直，它们之间的距离m在空间某一点O，向三维空间的各个方向以相同的速度射出很多个小球，球ts之后这些小球中离得最远的二个小球之间的距离是多少（假设ts之内所有小球都未与其它物体碰撞）？这道题初看是一个比较复杂的问题，要考虑向各个方向射出的小球的情况。但如果我们取一
11、个在小球射出的同时开始自O点自由下落的参考系，所有小球就都始终在以O点为球心的球面上，球的半径是，那么离得最远的两个小球之间的距离自然就是球的直径2。2.3抛体运动231、曲线运动的基本知识PQO1R1O2a1a2b1b2图2-3-1轨迹为曲线的运动叫曲线运动。它一定是一个变速运动。图2-3-1表示一质点作曲线运动，它经过P点时，在P点两旁的轨迹上取两点，过三点可作一圆，当这两点无限趋近于P点时，则圆亦趋近于一个定圆，我们把这个圆叫P点的曲率圆，曲率圆的半径叫P点的曲率半径，曲率圆的圆心叫P点的曲率中心，曲率半径的倒数叫P点的曲率。如图2-3-1，亦可做出Q点的曲率圆。曲率半径大，曲率小，表示
12、曲线弯曲较缓，曲率半径小，曲率大，表示曲线弯曲厉害。直线可认为是曲率半径为无穷大的曲线。AVAVBV1VBV2CVB图2-3-2质点做曲线运动的瞬时速度的方向总是沿该点的切线方向。如图2-3-2所示，质点在t时间内沿曲线由A点运动到B点，速度由V变化到VB，则其速度增量为两者之矢量差，=VBV，这个速度增量又可分解成两个分量：在VB上取一段AC等于V，则V分解成V和V，其中V表示质点由A运动到B的速度方向上的增量，V表示速度大小上的增量。法向加速度a表示质点作曲线运动时速度方向改变的快慢，其大小为在A点的曲率圆的向心加速度：其方向指向A点的曲率中心。切向加速度表示质点作曲线运动时速度大小改变的
13、快慢，方向亦沿切线方向，其大小为总加速度a方法向加速度和切向加速度的矢量和。232、抛物运动是曲线运动的一个重要特例物体以一定的初速度抛出后，若忽略空气阻力，且物体的运动在地球表面附近，它的运动高度远远小于地球半径，则在运动过程中，其加速度恒为竖直向下的重力加速度。因此，抛体运动是一种加速度恒定的曲线运动。根据运动的叠加原理，抛体运动可看成是由两个直线运动叠加而成。常用的处理方法是:将抛体运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀变速直线运动。如图2-3-3。取抛物轨迹所在平面为平面，抛出点为坐标原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。则抛体运动的规律为：其轨迹方程为这是开口向下的抛物线方程
14、。在抛出点和落地点在同一水平面上的情况下，飞行时间T，射程R和射高H分别为 抛体运动具有对称性，上升时间和下降时间（抛出点与落地点在同一水平面上）相等（一般地，从某一高度上升到最高点和从最高点下降到同一高度的时间相等）；上升和下降时经过同一高度时速度大小相等，速度方向与水平方向的夹角大小相等。下面介绍一种特殊的抛体运动平抛运动：质点只在重力作用下，且具有水平方向的初速度的运动叫平抛运动。它可以看成水平方向上的匀速运动（速度为v0）与竖直方向上的自由落体运动的合成。xyOV0gVVxVy图2-3-4速度：采用水平竖直方向的直角坐标可得： ，其合速度的大小为，其合速度的方向为（设水平方向夹角为），
15、可见，当时，即表示速度趋近于自由落体的速度。位移：仍按上述坐标就有，。仿上面讨论也可得到同样结论，当时间很长时，平抛运动趋近于自由落体运动。加速度：采用水平和竖直方向直角坐标系有,，用自然坐标进行分解，如图2-3-4其法向加速度为，切向加速度为，为速度与水平向方的夹角，将速度在水平与竖直方向的坐标系中分解可知：由此可知，其法向加速度和切向加速度分别为：由上两式可以看出，随着时间的推移，法向加速度逐渐变小趋近于零，切向加速度趋近于定值g，这表示越来越接近竖直下抛运动。在生活中也很容易看到，平抛物体的远处时就接近竖直下落了。运动的轨迹方程：ABCsh图2-3-5从方程可以看出，此图线是抛物线，过原
16、点，且越大，图线张开程度大，即射程大。根据运动的独立性，经常把斜抛运动分解成水平方向匀速直线运动和竖直方向上的竖直上抛运动来处理，但有时也可以用其它的分解分法。抛体运动另一种常用的分解方法是：分解沿方向的速度为的匀速直线运动和沿竖直方向的自由落体运动二个分运动。如图2-3-5所示，从A点以的初速度抛出一个小球，在离A点水平距离为s处有一堵高度为h的墙BC，要求小球能越过B点。问小球以怎样的角度抛出，才能使最小？将斜抛运动看成是方向的匀速直线运动和另一个自由落体运动的合运动，如图2-3-6所示。ABChD图2-3-6在位移三角形ADB在用正弦定理 轨迹：由直角坐标的位移公式消去时间参数t便可得到
17、直角坐标系中的平抛运由式中第一个等式可得 将式代入式中第二个等式当有极大值1时，即时，有极小值。因为，所以当小球越过墙顶时，y方向的位移为零，由式可得式代入式：我们还可用另一种处理方法以AB方向作为x轴（图2-3-7）这样一取，小球在x、y方向上做的都是匀变速运动了，和g都要正交分解到x、y方向上去。小球运动的方程为ABCxyg图2-3-7当最大，即时，有极小值2.4质点的圆周运动xyOPR图2-4-1刚体平面平行运动与定轴转动241、质点的圆周运动(1)匀速圆周运动如图2-4-1所示，质点P在半径为R的圆周上运动时，它的位置可用角度表示（习惯上以逆时针转角正，顺时针转角为负），转动的快慢用角
18、速度表示：质点P的速度方向在圆的切线方向，大小为（或v）为常量的圆周运动称为匀速圆周运动。这里的“匀速”是指匀角速度或匀速率，速度的方向时刻在变。因此，匀速圆周运动的质点具有加速度，其加速度沿半径指向圆心，称为向心加速度（法向加速度）。向心加速度只改变速度的方向，不改变速度的大小。(2)变速圆周运动 （或v）随时间变化的圆周运动，称为变速圆周运动，描述角速度变化快慢的物理量为角加速度质点作变速圆周运动时，速度的大小和方向都在变化。将速度增量分解为与平行的分量和垂直的分量，如图2-4-2。相当于匀速圆周运动个的,的大小为PR图2-4-2=V1V2V1图242PR质点P的加速度为其中就是切向加速度
19、和法向加速度。为常量的圆周运动，称为匀变速圆周运动，类似于变速直线运动的规律，有OAR图2-4-3(3)圆周运动也可以分解为二个互相垂直方向上的分运动。参看图2-4-3一个质点A在t=0时刻从x正方向开始沿圆周逆时针方向做匀速圆周运动，在x方向上在y方向上： ABSAS（a） （b） 图2-4-4从x和y方向上的位移、速度和加速度时间t表达的参数方程可以看出：匀速圆周运动可以分为两个互相垂直方向上的简谐运动，它们的相位相差242、刚体的平面平行运动刚体平面平行运动的特征是，刚体上的任意质点都作平行于一个固定平面的运动。如圆柱沿斜面的滚动，即为平面平行运动。可取刚体上任意平行于固定平面的截面作为
20、研究对象。刚体的平面平行运动，常有两种研究方法：一种是看成随基点（截面上任意一点都可作为基点）的平动和绕基点的转动的合运动；另一种是选取截面上的瞬时转动中心S（简称瞬心）为基点。瞬心即指某瞬间截面上速度为零的点。这样，刚体的平面平行运动看成仅作绕瞬心的转动。确定瞬心的方法有两种：如图2-4-4(a)所示，若已知截面上两点的速度，则与两速度方向垂直的直线的交点即为瞬心。或如图2-4-4(b)所示，已知截面转动的角速度及截面上某一点A的速度，则在与速度垂直的直线上，与A点距离为的点即为瞬心。注意，瞬心的速度为零，加速度不一定为零。243、刚体的定轴转动刚体运动时，刚体上或其延展部分有一根不动直线，
21、该直线称为定轴，刚体绕这一轴转动。刚体作定轴转动时，其上各点都在与轴垂直的平面内作圆周运动，各点作圆周运动的半径不同，在某一时刻，刚体上所有各点的角位移、角速度和角加速度都是相同的。而各点的线位移、线速度和线加速度则随各点离开转轴的垂直距离不同而不同。244、一些求曲率半径的特殊方法先看椭圆曲线，要求其两顶点处的曲率半径。介绍以下两种方法：(1)将椭圆看成是半径R=A（设AB）的圆在平面上的投影，圆平面和平面的夹角满足关系式（如图2-4-5）xypQ如图2-4-5设一个质点以速率v在圆上做匀速圆周运动，则向心加速度，从上图中可以看出，当顶点的投影在椭圆的长轴（x轴）上的P点时，其速率和加速度分
22、别为： ， 当质点的投影在椭圆的短轴（y轴）上的Q点时，其速率和加速度分别为：QPABxy图2-4-6 。因此椭圆曲线在P、Q的曲率半径分别为： (2)将椭圆看成是二个简谐运动的合成，可以把椭圆的参数方程（设AB）（如图2-4-6） 可改写为 即可进一步写出x，y二个方程的速度v和加速度a：那么在长轴端点P处（）的曲率半径：在短轴端点Q处（）的曲率半径再把抛物线y=Ax，要求其任意一点的曲率半径（如图2-4-7）因为抛物线可以写作参数方程其中，这样就可以导出 对任意一个t值： v=xy图2-4-7a=acos=a所以这一点的曲率半径将t=代入，可得 因为，所以抛物线y=Ax上任意一点的曲率半径
23、25几种速度的特殊求法251、相关的速度AB图2-5-1当绳端在做既不沿绳方向，又不垂直于绳方向的运动时，一般要将绳端的运动分解为沿绳方向和垂直于绳方向二个分运动。如图2-5-1所示的情况，绳AB拉着物体m在水平面上运动，A端以速度v做匀速运动，问m做什么运动？有的同学会将绳的速度v分解成竖直分速度vsina和水平分速度vcosa，以为木块的速度(uv)这是错误的。因为实际上木块并没有一个向上的分速度。应该将绳端B实际上的水平速度分解成沿绳方向的分速v=和垂直于绳的分速v=，v使绳子缩短，所以v=v，v使绳子围绕滑轮转动。因此，而且随着a的增大而越来越大。ABMO图2-5-3（b）ABCDM图
24、2-5-3（a） AB图2-5-2如图2-5-2所示，杆AB沿滑下，A、B二端的速度和也是二个相关的速度。将分解成沿杆方向的分速和垂直于杆的分速。由于杆的长度不会发生变化，所以，即，即OAB图2-5-4（b） 图2-5-4（a）252、两杆交点的运动两杆的交点同时参与了二杆的运动，而且相对每一根杆还有自己的运动，因而是一种比较复杂的运动。图2-5-3（a）中的AC、BD两杆均以角速度绕A、B两固定轴在同一竖直面内转动，转动方向如图示。当t=0时，60，试求t时刻两棒交点M点的速度和加速度。t=0时，ABM为等边三角形，因此AM=BM=，它的外接圆半径，图2-5-3（b）。二杆旋转过程中，角增大
25、的角度一直等于角减小的角度，所以M角的大小始终不变（等于60），因此M点既不能偏向圆内也不能偏向圆外，只能沿着圆周移动，因为和是对着同一段圆弧（）的圆心角和圆周角，所以=2，即M以2的角速度绕O点做匀速圆周运动，任意时刻t的速度大小恒为 向心加速度的大小恒为再看图2-5-4（a），一平面内有二根细杆和，各自以垂直于自己的速度和在该平面内运动，试求交点相对于纸平面的速率及交点相对于每根杆的速率。参考图2-5-4（b），经过时间之后，移动到了的位置，移动到了的位置，和的原位置交于点，和交于点。=在中：因为角和角互补，所以因此两杆交点相对于纸平面的速度不难看出，经过时间后，原交点在上的位置移动到了A位置，因此交点相对的位移就是，交点相对的速度就是：=用同样的方法可以求出交点相对的速度因为可以取得无限小，因此上述讨论与是否为常量无关。如果是变量，上述表达式仍然可以表达二杆交点某一时刻的瞬时速度。如果和的方向不是与杆垂直，这个问题应该如何解决？读者可以进行进一步的讨论。- 12 - 版权所有高考资源网
