高等数学实验报告(基于汽车车轮轨迹的运动学实验).docx

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综合性数学实验 实验报告 基于汽车车轮轨迹的运动学实验 院(系) 专业班级 学生姓名 学 号 实验学期 成都工业学院实验报告 课程名称: 高等数学(I)-2 实验类型: 综合性实验 实验项目名称: 基于汽车车轮轨迹的运动学实验 一、实验目的 数学实验是大学数学课程的重要组成部分,是与微积分、线性代数、概率论 与 数 理 统 计 等 课 程 同 步 开 设 的 重 要 教 学 环 节 , 它 将 , , 三者融为一体。通过数学实 验使学生深入理解数学基本概念和基本理论,熟悉常用的数学软件,培养学生运 用所学知识建立数学模型,并使用计算机解决实际问题的能力。 而综合性数学实验更是结合专业,通过理论学习、研讨互动、技能演示、自 我验证以及创新设计等多种形式,全面培养学生运用数学及计算机解决实际问题 的能力。 二、实验要求 1.理解 的相关原理。 2.会建立相关数学模型,并利用 知识解决实际问题。 3.会利用 MATLAB 软件完成实际问题中所遇到的 ,计算弧 长、面积、曲率等系列问题,并验证相关结论。 4.会设计数值实验来模拟验证平摆线(旋轮线)的 特性。 5.尝试设计利用汽车车轮轨迹的坐标点来计算汽车的 。 6.要求学生上机时间不得少于 学时。 7. 各问题的求解,按要求认真填写实验报告。 三、实验原理 已知汽车沿直线运动时车轮边缘某固定点运动轨迹为一平摆线,其参数方程 为 。易知轨迹摆线是一周期曲线,其每一个周期的曲 线段称为摆线的一拱。 第 1 页 共 6 页 四、实验步骤 1.用MATLAB计算摆线一拱  ?x = a (? ? sin ? ) ( a ? y = a (1 ? cos ? ) ?  =  3)  的弧长。 (1)给出计算弧长的数学积分公式(只需要公式,不需要结果): (2)给出MATLAB的程序代码: (3)给出弧长计算的程序结果:_________________________ (4)结论:摆线一拱的弧长等于滚动圆的直径的 倍。 2.用MATLAB计算摆线一拱  ?x = a (? ? sin? ) (a ? y = a (1? cos? ) ?  =  3)  与x轴围成的面积。 (1)给出计算面积的数学积分公式(只需要公式,不需要结果): (2)给出MATLAB的程序代码: (3)给出面积计算的程序结果:_____________________________ (4)结论:摆线一拱与定直线围成的面积等于滚动圆面积的 _ 倍。 ?x = a (? ? sin? ) (a = 3) 在? = ? , ? = ? ,? = ? 点处的 3.用MATLAB计算摆线 ? ? cos? ) ? y = a (1 4 2 曲率 K 。 第 2 页 共 6 页 (1)给出计算曲率的数学公式(只需要式子,不需要结果): (2)给出MATLAB的程序代码: (3)给出曲率计算的结果,填入表1。 ? K  表1 摆线在各点处的曲率 ? = ? ? = ? 4 2  = ? 4.设车轮半径为3的某汽车以2的速度沿直线匀速行驶,已知车轮边缘某固定 点在初始时刻的位置坐标为 (0, 0) ,如图1所示。请用MATLAB计算出该点在时间 = 0, t = 1, t = 2, t = 3时的位置坐标和线速度大小。 图 1 汽车车轮轨迹图示 (1)分别给出该点坐标和线速度大小随时间 t 变化的数学关系式: 第 3 页 共 6 页 (2)给出位置坐标计算的结果,填入表2。 t x y v M  表2 车轮边缘某固定点在各时间点处的坐标 t = 0 t =1 t = 2 t = 3 5.验证倒放的摆线具有等时曲线特性。即多个小球在摆线形状的容器上任意 不同位置同时释放时,这几个小球会同时到达底部。具体来说,如图2所示,小 球从任意的点  M  (对应参数  0  )出发,到达底部  B  点的时间是与  0  无关的常数。 图2 等时曲线示意图 (1)请给出从任意点 M  出发到达  B  点的时间T 的数学积分表达式: (2)用MATLAB的数值积分程序计算时间T ,将结果填入表3,小数点后请保 第 4 页 共 6 页 成都工业学院数学实验报告 留8位(  g  9.8m /  s 2  )。 表3 小球从不同点出发达到底部的时间 初始位置 ?0 = ? ?0 = 2? ?0 = 3? 5 5 5 R = 2 R = 3 R = 4 结论:摆线是否具有等时曲线特性? 。  R g 五、进一步讨论和分析 已知汽车车轮边缘某点安装有位置感应器,当汽车沿直线运动时,感应器能 记录下该点在不同时刻的坐标。设在汽车某次行驶中,测出在不同时刻该点的位 置坐标,试设计一种方

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