2007年4月有阻力的抛体运动的函数方程.docVIP

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2007年4月有阻力的抛体运动的函数方程.doc

PAGE PAGE 12 有阻力的抛体运动的函数方程 摘要:本文运用导数、微积分的有关知识建立并解决有阻力的斜抛运动的微分方程,得出各变量间的函数关系,其中还运用了一些简单的物理知识,并通过求极限顺便得出有阻力的竖直上抛,竖直下抛运动和无阻力抛体运动的一些基本函数方程,然后讨论斜上抛运动水平最远射程与抛射角的关系问题,最后取一组简单的数据进行定量计算。 关键词:有阻力;函数方程; 在研究抛体运动前,先简单说明微分方程的概念和基本解法。⑴一般地,凡表示未知函数,未知函数的导数与自变量之间的关系的方程,叫做微分方程。 在这里,只讨论一类较特殊的微分方程: ① ①式可分离变量得: ② ②式表示状态量,对两边各状态量累加求和 得: 由定积分与微分的和的极限的关系,可将上式改写为 ③,其中 由③式可解出y与x满足的方程,③式也可写成不定积分的形式 ④,其中C为常数,依赖于初值条件。 下面研究问题时就不再像上述一样清晰了,且不常用③式而常用④式.再给出曲线的曲率半径的求法。⑴ 对于曲线y=Y(x),为曲线的切线斜率的反正切值,即⑤ ⑥ yhO00fvmgv0x现在开始正式讨论问题:一质量为m的物体,初距水平地面高为h,以V0的速率沿与水平方向夹角为的方向抛出,重力加速度为g,所受空气阻力 y h O 00 f v mg v0 x 过物体初始位置,垂直地面向上建立y轴,过y轴与地面交点建x轴,使物体运动轨迹在xoy平面的第一象限内,即右图。 分析问题可知,四个变量:横坐标x,纵坐标y,速率v,时间t中任两个量都可建立函数方程。 ⅰ 研究物体运动轨迹(设x是自变量,v、y是x的函数)。 分析物体受力,可知重力沿曲线的法线分力提供物体沿曲线运动的向心力,即 ⑦ 将⑤、⑥两式代入⑦式中,解得: ⑧ ⑧式两边对x求导: ⑨ 又由能量守恒定律得: ⑩ 由被积函数与原函数的关系可知: ∴⑩式两边对x求导得: eq \o\ac(○,11) 将⑧、⑨两式代入 eq \o\ac(○,11)式化简后得: 分离变量后积分: 解得: eq \o\ac(○,12) 考虑初始条件:当x=0时,由⑧式得 eq \o\ac(○,13) 将 eq \o\ac(○,13)式代入 eq \o\ac(○,12)式中得: 将C2的值代回 eq \o\ac(○,12)式,化简后得: eq \o\ac(○,14) 同理可再分离变量积分后代初值,得: eq \o\ac(○,15) 同样可求得: (I) (2)研究水平方向(设t为自变量,v、x、y、cosθ都是t的函数) 由运动的独立性原则,可知摩擦阻力f的水平分量提供水平分运动的加速度,速度v的水平分量为水平分运动的速度。 则有: eq \o\ac(○,16) 令 eq \o\ac(○,17) 则 eq \o\ac(○,16)式改写为 分离变量求积分: 解得 eq \o\ac(○,18) 将 eq \o\ac(○,17)式代入 eq \o\ac(○,18)式中得: ∵当t=0时, 将C3的值代入得: eq \o\ac(○,19) 将⑤、⑧两式代入经化简后得: 再将 eq \o\ac(○,14)式代入得 解得: (II) 由(II)式可知x随自变量t的增大而增大,若不限高度h,则t→+时,,并且x恒小于。且时间很长时,物体运动趋于匀速。 将(II)代入(I)式中化简后得: (III) 1514将 、 式代入⑧化简得: 15 14 (IV) 再将(II)式代入(IV)式中得: (V) 至此已得出了(I)、(II)、(III)、(IV)、(V)五个有阻力抛体运动的基本函数方程,下面再求出物体能达到的最高处 当时,由 eq \o\ac(○,15)式解得: eq \o\ac(○,20) 将 eq \o\ac(○,20)式代入(I)得:(VI) (3)在上述讨论中,所得出的方程都是在一般条件下得到的,接下来顺便导出特殊运动的函数方程,因为上述各式中,因此不能直接导出,下面通过求极限的方法得出三类特殊运动的方程。 (a)竖直上抛运动 当时,由(III)知: 由正弦函数的连续性可知: eq \o\ac(○,21) 同理,由(V)得: 若考虑速度v向上为正,向下为负,则可得: eq \o\ac(○,22) 由(VI)得 eq

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