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2007年4月有阻力的抛体运动的函数方程.doc
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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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