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上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 设质点绕圆心在作变速圆周运动,在其上任意选一点 可建立如下坐标系,其中一根坐标轴沿轨迹在该点P 的切线方向,该方向单位矢量用et 表示;另一坐标轴沿该点轨迹的法线并指向曲线凹侧,相应单位矢量用en 表示,这就叫自然坐标系。 一、切向加速度和法向加速度 显然,沿轨迹上各点,自然坐标轴的方位是不断变化着的。 §1-2 圆周运动和一般曲线运动 1.自然坐标系 B R d? A 为单位矢量, 大小不变,但方向改变 t时刻:A点 t+dt时刻:B点 dt时间内经过弧长ds ds对应圆心角角度d? 2.切向加速度、法向加速度 即与 同向 B R d? A 圆周运动中的切向加速度at和法向加速度an 切向加速度改变速度的大小,法向加速度改变速度的方向。 O X R ?? 角位移 沿逆时针转动,角位移取正值 沿顺时针转动,角位移取负值 角位置 角速度 角加速度 单位:rad/s 单位:rad/s2 二、圆周运动的角量描述 ★匀角加速圆周运动 是恒量 ★一般圆周运动 ★速圆周运动 是恒量 讨论: R O x 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+?? t+?t B t A 图示,一质点作圆周运动: 在?t 时间内,质点的角位移为??,则A、B间的有向线段与弧将满足下面的关系 两边同除以?t,得到速度与角速度之间的关系: 将上式两端对时间求导,得到切向加速度与角加速度之间的关系: 将速度与角速度的关系代入法向加速度的定义式,得到法向加速度与角速度之间的关系: 线量 速度、加速度 角量 角速度、角加速度 匀速直线运动 匀变速直线运动 匀速率圆周运动 变速曲线运动 讨论: 例题1-2 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?60 s,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 R’ p 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。 已知北京、上海和广州三地的纬度分别是北纬39?57?、31?12?和 23?00?,可算出三地的v 和 an分别为: 北京: 上海: 广州: 解:由题意,可得该点的速率为: 例题1-3 一飞轮边缘上一点所经过的路程与时间的 关系为 ,v0、b都是正的常量。 (1)求该点在时刻 t 的加速度;(2)t 为何值时,该点的切向加速度与法向加速度的大小相等?已知 飞轮的半径为R. 上式表明,速率随时间t 而变化,该点做匀变速圆周运动 (1)t 时刻切向加速度、法向加速度及加速度大小: R o 加速度方向由它和速度的夹角确定为: (2)令a t= a n,即 得 例题1-4 如图a所示为一曲柄连杆机构,曲柄OA长为r,连杆AB长为l,AB的一端用销子在A处与曲柄OA相连,另一端以销子在B处与活塞相连。当曲柄以匀角速ω绕轴O旋转时,通过连杆将带动B处活塞在汽缸内往复运动,试求活塞的运动学方程。 解:取O为原点,Ox轴水平向左,如图b所示;并设开始时,曲柄A在Ox轴上的点P处。当曲柄以匀角速 ω转动时,在t 时刻曲柄转角为φ=ωt,这时B处活塞的位置为x=OR+RB,即 这就是活塞的运动学方程 我们把上式右端第2项按二项式定理展开为级数: 一般r/l1/3.6,因此高阶小量可以略去,于是的活塞的运动学方程 抛体运动:从地面上某点向空中抛出的物体在空中所做的运动称抛体运动。 以抛射点为坐标原点建立坐标系,水平方向为x轴,竖直方向为y轴。设抛出时刻t=0的速率为v0,抛射角为? , 三、抛体运动的矢量描述 则初速度分量分别为: 故任意时刻的速度为: 将上式积分,得运动方程为: 物体在空中飞行回落到抛出点高度时所用的时间为: 飞行的射程(即回落到与抛出点的高度相同时所经过的水平距离)为: 运动方程消去时间参数t,得到抛体运动的轨迹方程为: 若 ,则 , 此时为平抛运动; 若 ,则 ,此时射程最大; 若 ,则 ,此时为竖直抛体运动. 飞行的射高(即高出抛射点的距离)为 例题1-5
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