人教版2022年高中物理必修第一册《第一章 运动的描述》第一节 质点、参考系和坐标 课件PPT

大学物理电子教案1 第一节质点运动的描述movementofparticle1.1.1位矢和位移1.1.2速度1.1.3加速度1.1.4运动的相对性1.1.5几种基本的运动海南大学－大学物理电子教案22008土木工程专业 1.1.1位矢和位移运动的绝对性和相对性运动的绝对性：一切物质都处于永恒的运动之中运动的相对性：对于同一种运动，由于参照的物体选择的不同,运动的形式不同。若有A、B、C三车，沿平直公路水平向左行驶，且VA>VB，VB=VC，VD=0，则B车的运动情况如何？海南大学－大学物理电子教案32008土木工程专业 海南大学－大学物理电子教案42008土木工程专业 运动描述的相对性伽利略坐标变换海南大学－大学物理电子教案52008土木工程专业 参考系referencesystem：描述物体运动时被选作参考的其他物体或物体系。运动的相对性决定描述物体运动必须选用参考系运动学中参考系的选择是任意的，参考系不同，物体运动的形式不同。常见的参考系太阳参考系地心参考系质心参考系地面参考系或实验室参考系海南大学－大学物理电子教案62008土木工程专业 日心系zxy地心系o地面系在大多数情况下，以地面为参考系——基本参考系海南大学－大学物理电子教案72008土木工程专业 确定质点相对于参考系位置的方法坐标法Coordinate：选定三维坐标系OXYZ，用坐标值（x,y,z)来表示空间一质点P的位置。yx^zzy0^x^·z(t)y(t)x(t)P(t)·r(t)位矢法PositionVector：选定一固定点O，由O点向质点P引一矢量（位置矢量，位矢）。自然法Natural：在已知运动轨迹上任选一固定点O，规定一正方向，曲线长度s称自然坐标。海南大学－大学物理电子教案82008土木工程专业 位矢positionvector：从坐标原点指向质点位置的有向线段。描述质点空间位置的物理量。描述质点运动的基本物理量直角坐标系中的数学表示大小：方向：海南大学－大学物理电子教案92008土木工程专业 质点位置随时间变化的关系——运动方程例如：将运动方程中的时间消去，得到质点运动的轨迹方程。一般情况轨迹方程是空间曲线。oxyzP(x,y,z)海南大学－大学物理电子教案102008土木工程专业 位移displacement：一段时间内位矢的增量,反映质点运动时位置的变化。P2(x,y,z)xzyP1(x,y,z)大小：方向：直角坐标系中的数学表示海南大学－大学物理电子教案112008土木工程专业 路程pathlength注意：三个量的几何意义。r(t+Δt)r(t)0ΔrΔrΔSr(t+Δt)r(t)ΔrxyzP2P10··ΔS位移（位矢的增量）的大小位矢大小的增量海南大学－大学物理电子教案122008土木工程专业 显然但即r(t+Δt)r(t)0ΔrΔrΔSr(t+Δt)r(t)ΔrxyzP2P10··海南大学－大学物理电子教案132008土木工程专业 课堂练习：一质点以半径为R作匀速圆周运动，以圆心为坐标原点，质点运动半个周期，其位移大小其位矢大小的增量质点作圆周运动答案：质点从A运动到B海南大学－大学物理电子教案142008土木工程专业 1.1.2速度velocity平均速度averagevelocity方向：P2(x,y,z)xzyP1(x,y,z)大小：平均速度只能粗略反映一段时间内物体位置变化的快慢情况与方向相同海南大学－大学物理电子教案152008土木工程专业 瞬时速度instantaneousvelocity大小：方向：位矢对时间的变化率，能精确反映质点位置变化快慢的物理量沿切向并指向质点运动的方向海南大学－大学物理电子教案162008土木工程专业 速率speed平均速率averagespeed:瞬时速率instantaneousspeed:=stdd而平均速率与平均速度大小的区别所以速度大小与速率值相等P2(x,y,z)xzyP1(x,y,z)=tlimΔ0sΔtΔv海南大学－大学物理电子教案172008土木工程专业 1.1.3加速度acceleration平均加速度（粗略）BvvΔAvAvrAArBBxyzo反映质点速度变化快慢情况的物理量瞬时加速度（精确）海南大学－大学物理电子教案182008土木工程专业 加速度分量componentsofacceleration海南大学－大学物理电子教案192008土木工程专业 质点作曲线运动时，加速度方向总是指向曲线凹的一侧大小方向质点做直线运动时，加速度与速度的夹角为0或180。海南大学－大学物理电子教案202008土木工程专业 加速度与速度的夹角大于90，速率减小。加速度与速度的夹角小于90，速率增大。加速度与速度的夹角等于90，速率不变。海南大学－大学物理电子教案212008土木工程专业 质点的运动学方程为x=6+3t-5t3(SI),判断正误:质点作匀加速直线运动，加速度为正。质点作匀加速直线运动，加速度为负。质点作变加速直线运动，加速度为正。质点作变加速直线运动，加速度为负。课堂思考题解题分析：x=6+3t-5t3海南大学－大学物理电子教案222008土木工程专业 1.轨迹方程；2.瞬时速度的大小；（式中r以m计，t以s计）试求：[例]j66r=3cosππtti+3sin()()3.瞬时加速度。解：1.运动方程分量式为：从运动方程分量式中消去t得轨迹方程：+=3222xy=3cos(πt6)x=3(πt6sin)y23 2.瞬时速度：=dtdrv=33××ππ66sintti+π66cosπj()()=2πvj66r=3cosππtti+3sin()()24 3.瞬时加速度：π)(26=_rad=dtv3sin663)))(((iπππcos2[]tt+=_6j=_636sin366())))(((iππππcos22tt_jddtt=ddxyi+vvja方向相反，可见加速度指向圆心。r与v=33××ππ66sintti+π66cosπj()()25 课堂练习：已知质点运动方程求质点的速度和加速度，则：由得求得。判断其是否正确。答案：不正确正确计算是：海南大学－大学物理电子教案262008土木工程专业 课堂练习：试判断下列说法是否正确。（1）一物体具有加速度，但速度可能为零。（2）运动物体加速度越大，物体的速度也越大。（3）物体在直线上运动前进时，如果物体向前的加速度减小，物体前进的速度也就减小了。（4）物体加速度的值很大，而物体速度可以不变。（5）物体作曲线运动时必有加速度。√X√XX海南大学－大学物理电子教案272008土木工程专业 课堂练习：下列图形中，正确反映质点在曲线运动轨迹上作减速运动的图形是哪一幅。答案：(c)(a)(c)(b)(d)海南大学－大学物理电子教案282008土木工程专业 车作匀速运动，竖直上抛石子。问石子运动轨迹如何？1.1.4运动的相对性在不同参考系中观察同一物体的运动所给出的运动描述是不同的。海南大学－大学物理电子教案292008土木工程专业 车上的人观察：石子作直线运动海南大学－大学物理电子教案302008土木工程专业 地面上的人观察：石子作抛物线运动海南大学－大学物理电子教案312008土木工程专业 把视为静止的参考系S作为基本参考系，把相对S系运动的参考系S’作为运动参考系。海南大学－大学物理电子教案322008土木工程专业 位移关系海南大学－大学物理电子教案332008土木工程专业 称为伽利略速度变换球对地球对车车对地绝对速度：相对速度：牵连速度：质点相对基本参考系S的速度质点相对运动参考系S’的速度运动参考系S`相对基本参考系S的速度伽利略速度变换式两边对时间求极限：海南大学－大学物理电子教案342008土木工程专业 伽利略加速度变换式时两边对时间求导：海南大学－大学物理电子教案352008土木工程专业 伽利略变换式以上结论是在绝对时空观下得出的海南大学－大学物理电子教案362008土木工程专业 假定了“长度的测量不依赖于参考系”（空间的绝对性）假设在S系及系中测量结果相同假定了“时间的测量不依赖于参考系”（时间的绝对性）假设在S系及系中测量结果相同海南大学－大学物理电子教案372008土木工程专业 例1：某人骑摩托车向东前进，其速率为10ms-1时觉得有南风，当其速率为15ms-1时，又觉得有东南风，试求风速度。15ms-110ms-145y(北)x(东)O根据速度变换公式得到：解：取风为研究对象A，地面和骑车人作为两个相对运动的参考系。作图海南大学－大学物理电子教案382008土木工程专业 由图中的几何关系，知：风速的大小：风速的方向：为东偏北2634'15ms-110ms-145y(北)x(东)O海南大学－大学物理电子教案392008土木工程专业 课堂练习：一货车在行驶过程中，遇到5m/s竖直下落的大雨，车上紧靠挡板平放有长为l=1m的木板。如果木板上表面距挡板最高端的距离h=1m，问货车以多大的速度行驶，才能使木板不致淋雨？lh解：车在前进的过程中，雨相对于车向后下方运动，使雨不落在木板上，挡板最上端处的雨应飘落在木板的最左端的左方。45海南大学－大学物理电子教案402008土木工程专业 解：已知加速度求速度方程和运动方程，采用积分法：两端积分可得到速度1.匀加速运动1.1.5几种基本的运动海南大学－大学物理电子教案412008土木工程专业 根据速度的定义式：两端积分得到运动方程（匀加速运动的位矢公式或运动方程）（匀加速运动的速度公式）海南大学－大学物理电子教案422008土木工程专业 选直角坐标系如图，二维抛体运动水平分量和竖直分量相互独立。已知初速度为与水平方向夹角为2.抛体运动抛体运动：忽略空气阻力，只在重力作用下的运动。求：（1）运动学方程；（2）运动轨迹；（3）最大射程；（4）最大射高；（5）飞行时间。海南大学－大学物理电子教案432008土木工程专业 加速度分量式：速度分量式：位矢分量式：解：质点运动状态量是：海南大学－大学物理电子教案442008土木工程专业 （1）运动方程的矢量形式为（2）消去时间参数t，得到抛体运动的轨迹方程为抛物线方程，故抛体运动也叫抛物线运动。海南大学－大学物理电子教案452008土木工程专业 （3）令y=0，得到抛物线与x轴的另一个交点坐标H，它就是射程：（4）根据轨迹方程的极值条件，求得最大射高为：OyxHh海南大学－大学物理电子教案462008土木工程专业 （5）物体从抛出到回落到抛出点高度所用的时间令得由OyxHh海南大学－大学物理电子教案472008土木工程专业 自然坐标系中圆周运动的描述自然坐标系：切向单位矢量，指向自然坐标增大方向：法向单位矢量，指向轨道凹侧运动方程速度和加速度sPooRPd3.圆周运动海南大学－大学物理电子教案482008土木工程专业 ddsPPd质点速率大小变化快慢质点速度方向变化快慢海南大学－大学物理电子教案492008土木工程专业 以上的结论对任意平面曲线运动都适用，只需将式中的半径R用该点的曲率半径代替就可。注意：的大小为海南大学－大学物理电子教案502008土木工程专业 圆周运动的角量描述oxyA：tB：t+t如图，质点沿半径为R的轨道作圆周运动，以ox轴为参考方向则质点的角坐标为角位移为平均角速度为规定反时针为正线量：位矢、位移、速度、加速度角量：角坐标、角位移、角速度、角加速度海南大学－大学物理电子教案512008土木工程专业 角速度角加速度角速度的单位：弧度/秒(rads-1)；角加速度的单位：弧度/平方秒(rads-2)。比较：海南大学－大学物理电子教案522008土木工程专业 线量与角量之间的关系（速率与角速度之间的关系）角量：线量：ROxt+tBtA海南大学－大学物理电子教案532008土木工程专业 两边对时间求导：（速率与角速度之间的关系）线量与角量之间的关系海南大学－大学物理电子教案542008土木工程专业 例题1计算地球自转时地面上各点的速度和加速度。解：地球自转周期T=246060s，角速度大小为：如图，地面上纬度为的P点，在与赤道平行的平面内作圆周运动,R赤道rp其轨道的半径为 P点速度的大小为P点只有运动平面上的向心加速度，其大小为P点速度的方向与过P点运动平面上半径为R的圆相切。P点加速度的方向在运动平面上由P指向地轴。 总结：运动学的两类基本问题已知加速度(或速度)及初始条件，求质点任一时刻的速度和运动方程已知质点运动方程，求任一时刻的速度、加速度；第一类问题：(求导问题)第二类问题：(积分问题)海南大学－大学物理电子教案572008土木工程专业 在求解第二类问题过程中还必须已知在t=0时刻初始条件：t=0质点的速度及位置坐标，这一条件称为初始条件。xyyzzx===000===vvvvvv000xxyyzz海南大学－大学物理电子教案582008土木工程专业 海南大学－大学物理电子教案592008土木工程专业