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第三部分 運動學

第一講　基本知識介紹

一． 基本概念

1．  質點

2．  參照物

3．  參照系——固連于參照物上的坐標系（解題時要記住所選的是參照系，而不僅是一個點）

4．絕對運動，相對運動，牽連運動：v_絕=v_相+v_牽 

二．運動的描述

1．位置：r=r(t) 

2．位移：Δr=r(t+Δt)－r(t)

3．速度：v=lim_Δt→0Δr/Δt.在大學教材中表述為：v=dr/dt, 表示r對t 求導數(shù)

5．以上是運動學中的基本物理量，也就是位移、位移的一階導數(shù)、位移的二階導數(shù)。可是

三階導數(shù)為什么不是呢？因為牛頓第二定律是F=ma,即直接和加速度相聯(lián)系。（a對t的導數(shù)叫“急動度”。）

6．由于以上三個量均為矢量，所以在運算中用分量表示一般比較好

三．等加速運動

v(t)=v₀+at           r(t)=r₀+v₀t+1/2 at² 

 一道經(jīng)典的物理問題：二次世界大戰(zhàn)中物理學家曾經(jīng)研究，當大炮的位置固定，以同一速度v₀沿各種角度發(fā)射，問：當飛機在哪一區(qū)域飛行之外時，不會有危險？（注：結論是這一區(qū)域為一拋物線，此拋物線是所有炮彈拋物線的包絡線。此拋物線為在大炮上方h=v²/2g處，以v₀平拋物體的軌跡。） 

練習題：

一盞燈掛在離地板高l₂,天花板下面l₁處。燈泡爆裂，所有碎片以同樣大小的速度v 朝各個方向飛去。求碎片落到地板上的半徑（認為碎片和天花板的碰撞是完全彈性的，即切向速度不變，法向速度反向；碎片和地板的碰撞是完全非彈性的，即碰后靜止。）

四．剛體的平動和定軸轉動

1． 我們講過的圓周運動是平動而不是轉動 

  2．  角位移φ=φ（t）, 角速度ω=dφ/dt , 角加速度ε=dω/dt

 3．  有限的角位移是標量，而極小的角位移是矢量

4．  同一剛體上兩點的相對速度和相對加速度 

兩點的相對距離不變，相對運動軌跡為圓弧，V_A=V_B+V_AB,在AB連線上

投影：[V_A]_AB=[V_B]_AB,a_A=a_B+a_AB,a_AB=_,aⁿ_AB+_,a^τ_AB, _,a^τ_AB垂直于AB,_,aⁿ_AB=V_AB²/AB 

例：A，B，C三質點速度分別V_A ，V_B  ，V_C      

求G的速度。

五．課后習題：

一只木筏離開河岸，初速度為V，方向垂直于岸邊，航行路線如圖。經(jīng)過時間T木筏劃到路線上標有符號處。河水速度恒定U用作圖法找到在2T，3T，4T時刻木筏在航線上的確切位置。

五、處理問題的一般方法

（1）用微元法求解相關速度問題

例1：如圖所示，物體A置于水平面上，A前固定一滑輪B，高臺上有一定滑輪D，一根輕繩一端固定在C點，再繞過B、D，BC段水平，當以恒定水平速度v拉繩上的自由端時，A沿水平面前進，求當跨過B的兩段繩子的夾角為α時，A的運動速度。

（v_A＝）

（2）拋體運動問題的一般處理方法

1. 平拋運動
2. 斜拋運動
3. 常見的處理方法

（1）將斜上拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的豎直上拋運動

（2）將沿斜面和垂直于斜面方向作為x、y軸，分別分解初速度和加速度后用運動學公式解題

（3）將斜拋運動分解為沿初速度方向的斜向上的勻速直線運動和自由落體運動兩個分運動，用矢量合成法則求解

例2：在擲鉛球時，鉛球出手時距地面的高度為h，若出手時的速度為V₀，求以何角度擲球時，水平射程最遠？最遠射程為多少？

（α=、 x=）

第二講 運動的合成與分解、相對運動

（一）知識點點撥

1. 力的獨立性原理：各分力作用互不影響，單獨起作用。
2. 運動的獨立性原理：分運動之間互不影響，彼此之間滿足自己的運動規(guī)律
3. 力的合成分解：遵循平行四邊形定則，方法有正交分解，解直角三角形等
4. 運動的合成分解：矢量合成分解的規(guī)律方法適用
1. 位移的合成分解 B.速度的合成分解 C.加速度的合成分解

參考系的轉換：動參考系，靜參考系

相對運動：動點相對于動參考系的運動

絕對運動：動點相對于靜參考系統(tǒng)（通常指固定于地面的參考系）的運動

牽連運動：動參考系相對于靜參考系的運動

（5）位移合成定理：S_A對地=S_A對B+S_B對地

速度合成定理：V_絕對=V_相對+V_牽連

加速度合成定理：a_絕對=a_相對+a_牽連

（二）典型例題

（1）火車在雨中以30m/s的速度向南行駛，雨滴被風吹向南方，在地球上靜止的觀察者測得雨滴的徑跡與豎直方向成21^。角，而坐在火車里乘客看到雨滴的徑跡恰好豎直方向。求解雨滴相對于地的運動。

提示：矢量關系入圖

答案：83.7m/s

（2）某人手拿一只停表，上了一次固定樓梯，又以不同方式上了兩趟自動扶梯，為什么他可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)來計算自動扶梯的臺階數(shù)？

提示：V人對梯=n1/t1

      V梯對地=n/t2

      V人對地=n/t3

V人對地= V人對梯+ V梯對地

答案：n=t₂t₃n₁/（t₂-t₃）t₁

(3)某人駕船從河岸A處出發(fā)橫渡，如果使船頭保持跟河岸垂直的方向航行，則經(jīng)10min后到達正對岸下游120m的C處，如果他使船逆向上游，保持跟河岸成а角的方向航行，則經(jīng)過12.5min恰好到達正對岸的B處，求河的寬度。

提示：120=V水*600

        D=V船*600

 答案：200m

（4）一船在河的正中航行，河寬l=100m，流速u=5m/s，并在距船s=150m的下游形成瀑布，為了使小船靠岸時，不至于被沖進瀑布中，船對水的最小速度為多少？

提示：如圖船航行

答案：1.58m/s

（三）同步練習

1.一輛汽車的正面玻璃一次安裝成與水平方向傾斜角為β₁=30°，另一次安裝成傾角為β₂=15°。問汽車兩次速度之比為多少時，司機都是看見冰雹都是以豎直方向從車的正面玻璃上彈開？（冰雹相對地面是豎直下落的）

2、模型飛機以相對空氣v=39km/h的速度繞一個邊長2km的等邊三角形飛行，設風速u = 21km/h ，方向與三角形的一邊平行并與飛機起飛方向相同，試求：飛機繞三角形一周需多少時間？

3.圖為從兩列蒸汽機車上冒出的兩股長幅氣霧拖尾的照片（俯視）。兩列車沿直軌道分別以速度v₁=50km/h和v₂=70km/h行駛，行駛方向如箭頭所示，求風速。

4、細桿AB長L ，兩端分別約束在x 、 y軸上運動，（1）試求桿上與A點相距aL（0＜ a ＜1)的P點運動軌跡；（2）如果v_A為已知，試求P點的x 、 y向分速度v_Px和v_Py對桿方位角θ的函數(shù)。

（四）同步練習提示與答案

1、提示：利用速度合成定理，作速度的矢量三角形。答案為：3。

2、提示：三角形各邊的方向為飛機合速度的方向（而非機頭的指向）；

第二段和第三段大小相同。

參見右圖，顯然：

v² =  + u² － 2v_合ucos120°

可解出 v_合 = 24km/h 。

答案：0.2hour（或12min.）。

3、提示：方法與練習一類似。答案為：3

4、提示：（1）寫成參數(shù)方程后消參數(shù)θ。

（2）解法有講究：以A端為參照， 則桿上各點只繞A轉動。但鑒于桿子的實際運動情形如右圖，應有v_牽 = v_Acosθ，v_轉 = v_A，可知B端相對A的轉動線速度為：v_轉 + v_Asinθ=  。

P點的線速度必為  = v_相 

所以 v_Px = v_相cosθ+ v_Ax ，v_Py = v_Ay － v_相sinθ

答案：（1） +  = 1 ，為橢圓；（2）v_Px = av_Actgθ ，v_Py =（1 － a）v_A

 選做題(請從A、B和C三小題中選定兩小題作答，如都作答，則按A、B兩小題評分．)

A．(選修模塊3-3)(12分)

⑴下列說法正確的是                                           （       ）

A．熵是物體內分子運動無序程度的量度

B．由氫氣的摩爾體積和每個氫分子的體積可估算出阿伏加德羅常數(shù)

C．滿足能量守恒定律的客觀過程都不是可以自發(fā)進行的

D．液體表面層的分子比液體內部的分子有更大的分子勢能

(2) 一定質量的理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的p-V圖象如圖所示．在由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中，理想氣體的溫度         （填“升高”、“降低”或“不變”）．在由狀態(tài)A變化到狀態(tài)C的過程中，理想氣體吸收的熱量      它對外界做的功（填“大于”、“小于”或“等于”）．

 (3) 已知阿伏加德羅常數(shù)為6.0×10²³mol^-1，在標準狀態(tài)（壓強p₀=1atm、溫度t₀=0℃）下任何氣體的摩爾體積都為22.4l，設第（2）問中理想氣體在狀態(tài)A下的溫度為0℃，求該氣體的分子數(shù)．（計算結果取兩位有效數(shù)字）

B．(選修模塊3-4)(12分)

⑴以下說法中正確的是                                          (      )

A．拍攝玻璃櫥窗內的物品時，往往在鏡頭前加一個偏振片以增加透射光的強度

B．全息照片往往用激光來拍攝，主要是利用了激光的相干性

C．根據(jù)宇宙大爆炸學說，遙遠星球發(fā)出的紅光被地球接收到時可能是紅外線

D．超聲波可以在真空中傳播

⑵平行光a垂直射向一半徑為R的玻璃半球的平面，其截面如圖所示，發(fā)現(xiàn)只有P、Q之間所對圓心角為60°的球面上有光射出，則玻璃球對a光的折射率為        ，若僅將a平行光換成b平行光，測得有光射出的范圍增大，設a、b兩種色光在玻璃球中的速度分別為v_a和v_b，則v_a        v_b（選填“>”、“<”或“=”）．

⑶在均勻介質中選取平衡位置在同一直線上的9個質點，相鄰兩質點間的距離均為0.1m，如圖(a)所示．一列橫波沿該直線向右傳播，t=0時到達質點1，質點1開始向下運動，振幅為0.2m，經(jīng)過時間0.3s第一次出現(xiàn)如圖（b）所示的波形．試寫出質點1的振動方程．

C．(選修模塊3-5)(12分)

⑴下列說法正確的有                                              （    ）

A．盧瑟福的α粒子散射實驗可以估測原子核的大小

B．氫原子輻射出一個光子后，氫原子的電勢能增大，核外電子的運動加速度增大

C．物質波是一種概率波，在微觀物理學中不可以用“軌跡”來描述粒子的運動

D．若氫原子從 n = 6 能級向 n = 1 能級躍遷時輻射出的光不能使某金屬發(fā)生光電效應，則氫原子從 n = 6 能級向 n = 2 能級躍遷時輻射出的光能使該金屬發(fā)生光電效應

⑵正電子發(fā)射計算機斷層顯象(PET)的基本原理是：將放射性同位素注入人體，在人體內衰變放出的正電子與人體內的負電子相遇而湮滅，轉化為一對γ光子，被探測器探測到，并經(jīng)計算機處理后產(chǎn)生清晰的圖象．根據(jù)PET的原理，在人體內衰變的方程式是               ；在PET中，的主要用途是作為              ．

⑶如圖所示，質量分別為m₁和m₂的兩個小球在光滑水平面上分別以速度v₁、v₂同向運動，并發(fā)生對心碰撞，碰后m₂被右側墻壁原速彈回，又與m₁碰撞，再一次碰撞后兩球都靜止．求第一次碰后m₁球速度的大小.

 選做題(請從A、B和C三小題中選定兩小題作答，如都作答，則按A、B兩小題評分．)

A．(選修模塊3-3)(12分)

⑴下列說法正確的是                                            （       ）

A．熵是物體內分子運動無序程度的量度

B．由氫氣的摩爾體積和每個氫分子的體積可估算出阿伏加德羅常數(shù)

C．滿足能量守恒定律的客觀過程都不是可以自發(fā)進行的

D．液體表面層的分子比液體內部的分子有更大的分子勢能

(2) 一定質量的理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的p-V圖象如圖所示．在由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中，理想氣體的溫度          （填“升高”、“降低”或“不變”）．在由狀態(tài)A變化到狀態(tài)C的過程中，理想氣體吸收的熱量       它對外界做的功（填“大于”、“小于”或“等于”）．

 (3) 已知阿伏加德羅常數(shù)為6.0×10²³mol^-1，在標準狀態(tài)（壓強p₀=1atm、溫度t₀=0℃）下任何氣體的摩爾體積都為22.4l，設第（2）問中理想氣體在狀態(tài)A下的溫度為0℃，求該氣體的分子數(shù)．（計算結果取兩位有效數(shù)字）

B．(選修模塊3-4)(12分)

⑴以下說法中正確的是                                           (      )

A．拍攝玻璃櫥窗內的物品時，往往在鏡頭前加一個偏振片以增加透射光的強度

B．全息照片往往用激光來拍攝，主要是利用了激光的相干性

C．根據(jù)宇宙大爆炸學說，遙遠星球發(fā)出的紅光被地球接收到時可能是紅外線

D．超聲波可以在真空中傳播

⑵平行光a垂直射向一半徑為R的玻璃半球的平面，其截面如圖所示，發(fā)現(xiàn)只有P、Q之間所對圓心角為60°的球面上有光射出，則玻璃球對a光的折射率為         ，若僅將a平行光換成b平行光，測得有光射出的范圍增大，設a、b兩種色光在玻璃球中的速度分別為v_a和v_b，則v_a        v_b（選填“>”、“<”或“=”）．

⑶在均勻介質中選取平衡位置在同一直線上的9個質點，相鄰兩質點間的距離均為0.1m，如圖(a)所示．一列橫波沿該直線向右傳播，t=0時到達質點1，質點1開始向下運動，振幅為0.2m，經(jīng)過時間0.3s第一次出現(xiàn)如圖（b）所示的波形．試寫出質點1的振動方程．

C．(選修模塊3-5)(12分)

⑴下列說法正確的有                                               （    ）

A．盧瑟福的α粒子散射實驗可以估測原子核的大小

B．氫原子輻射出一個光子后，氫原子的電勢能增大，核外電子的運動加速度增大

C．物質波是一種概率波，在微觀物理學中不可以用“軌跡”來描述粒子的運動

D．若氫原子從 n = 6 能級向 n = 1 能級躍遷時輻射出的光不能使某金屬發(fā)生光電效應，則氫原子從 n = 6 能級向 n = 2 能級躍遷時輻射出的光能使該金屬發(fā)生光電效應

⑵正電子發(fā)射計算機斷層顯象(PET)的基本原理是：將放射性同位素注入人體，在人體內衰變放出的正電子與人體內的負電子相遇而湮滅，轉化為一對γ光子，被探測器探測到，并經(jīng)計算機處理后產(chǎn)生清晰的圖象．根據(jù)PET的原理，在人體內衰變的方程式是                ；在PET中，的主要用途是作為               ．

⑶如圖所示，質量分別為m₁和m₂的兩個小球在光滑水平面上分別以速度v₁、v₂同向運動，并發(fā)生對心碰撞，碰后m₂被右側墻壁原速彈回，又與m₁碰撞，再一次碰撞后兩球都靜止．求第一次碰后m₁球速度的大小.