更高更妙的物理竞赛课件竞赛课件7:曲线运动曲直谈.ppt
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1、一、曲线运动的发生条件一、曲线运动的发生条件F合外力方向与速度方向不在一直线合外力方向与速度方向不在一直线二、曲线运动的特点二、曲线运动的特点速度方向一定变化速度方向一定变化切向力改变速度大小切向力改变速度大小法向力改变速度方向法向力改变速度方向vFnFt三、求解曲线运动问题的运动学基本方法三、求解曲线运动问题的运动学基本方法矢量的合成与分解矢量的合成与分解微元法微元法 曲线运动的加速度曲线运动的加速度质点的瞬时加速度定义为质点的瞬时加速度定义为 0limtvat AvAvBv nv tv 0limnntvat 0limtttvat 为求一般的做曲线运动质点在任一为求一般的做曲线运动质点在任一
2、点的瞬时加速度,通常将其分解为点的瞬时加速度,通常将其分解为法向加速度法向加速度an与切向加速度与切向加速度atOA点曲率圆点曲率圆 nAvvAB nAvvABtt 0limAnta 0limAtvABt 2nva A点曲率圆半径点曲率圆半径0limtttvat aB 在离水面高度为在离水面高度为h的岸边,有人用绳子拉船靠岸,若人收绳的岸边,有人用绳子拉船靠岸,若人收绳的速率恒为的速率恒为v0,试求船在离岸边,试求船在离岸边s距离处时的速度与加速度的大小各为多少?距离处时的速度与加速度的大小各为多少?依据实际运动效果分解船的运动:依据实际运动效果分解船的运动:v0Avvnhs vt船及与船相系
3、的绳端船及与船相系的绳端A的实际运动的实际运动是水平向左的,这可看作是绳之是水平向左的,这可看作是绳之A端一方面沿绳方向向端一方面沿绳方向向“前方前方”滑滑轮处轮处“收短收短”,同时以滑轮为圆,同时以滑轮为圆心转动而成,即将实际速度心转动而成,即将实际速度v分解分解成沿绳方向成沿绳方向“收短收短”的分速度的分速度vn和和垂直于绳方向的转动分速度垂直于绳方向的转动分速度vt;注意到绳子是不可伸长的,人收绳的速注意到绳子是不可伸长的,人收绳的速率率v0也就是绳端也就是绳端A点沿绳方向移动速率点沿绳方向移动速率vn:由图示由图示v、vt、vn矢量关系及位置的几何关系易得:矢量关系及位置的几何关系易得
4、:0nvv 00cotthvvvs 0sinvv 则则220hsvs 求船的速度求船的速度续解续解 求船的加速度求船的加速度在一小段时间在一小段时间t内内,船头位置船头位置从从A移移A,绳绕滑轮转过一小,绳绕滑轮转过一小角度角度0:Avv0 vtA v v0tv 0sinvv 读题读题 011sinsinvv 由加速度定义得:由加速度定义得:0limtvat 0costancosthhtvv 由几何关系得:由几何关系得:cosh 00011sinsinlimtancosvahv 则则 200sinsincoslimtansinsinvh 200cossincos22limtansinsin2v
5、h 230cotvh 2203v hs 320vhhs 质点沿圆周做速度大小、方向均变化质点沿圆周做速度大小、方向均变化的运动每个瞬时的加速度均可分解为的运动每个瞬时的加速度均可分解为切向加速度切向加速度at与法向加速度与法向加速度an,前者反映,前者反映质点速率变化快慢,后者反映质点速度质点速率变化快慢,后者反映质点速度方向变化快慢方向变化快慢 如图所示,质点从如图所示,质点从O点由静止开始沿半径为点由静止开始沿半径为R的圆周做速率的圆周做速率均匀增大的运动,到达均匀增大的运动,到达A点时质点的加速度与速度方向夹角为点时质点的加速度与速度方向夹角为,质点通过的弧,质点通过的弧s所对的圆心角为
6、所对的圆心角为,试确定,试确定与与间的关系间的关系vAaAOs atan由题给条件由题给条件2 2tna taR 则则222,AntaasvRt 而而 22,Atva tsR 2nttaa taR 222stt R 2 tanntaa 又又tan2 如图所示,质点沿一圆周运动,过如图所示,质点沿一圆周运动,过M点时速度大小为点时速度大小为v,作加速度矢量与圆相交成弦,作加速度矢量与圆相交成弦MA=l,试求此加速度的大小,试求此加速度的大小 将将M点加速度沿切向与法向进行分解点加速度沿切向与法向进行分解!vaMAlOatan法向加速度法向加速度2sinnvaaR 22avl sin=2而而lR
7、2sinvaR 如图所示,曲柄如图所示,曲柄OA长长40 cm,以等角速度以等角速度=0.5rad/s绕绕O轴反时针方向转动由于曲柄的轴反时针方向转动由于曲柄的A端推动水平板端推动水平板B而使滑杆而使滑杆C沿竖直沿竖直方向上升,求当曲柄与水平线夹角方向上升,求当曲柄与水平线夹角=30时,滑杆时,滑杆C的加速度的加速度 杆杆A与与B板接触点有相同沿竖直方向的加速度板接触点有相同沿竖直方向的加速度!杆上杆上A点加速度点加速度2Aal OABCaAaAyaC20.05m/sBa 21sin2AyAaal 此即滑杆此即滑杆C的加速度的加速度CAyaa 代入数据得滑杆代入数据得滑杆C的加速度的加速度 有
8、一只狐狸以不变的速度有一只狐狸以不变的速度v1沿着直线沿着直线AB逃跑,一猎逃跑,一猎犬以不变的速率犬以不变的速率v2追击,其运动方向始终对准狐狸某时刻狐狸在追击,其运动方向始终对准狐狸某时刻狐狸在F处,猎犬在处,猎犬在D处,处,FDAB,且,且FDL,如图试求此时猎犬的加速,如图试求此时猎犬的加速度的大小度的大小 设设t时间内,时间内,v2方向变化方向变化,0时时:FLABDA B v1v2v2v v21vt v21tanvtL 由加速度定义,猎犬由加速度定义,猎犬 加速度加速度 0limtvat 20limtvt 1 2av vL 赛车在公路的平直段上以尽可能大的加速度行驶,在赛车在公路的
9、平直段上以尽可能大的加速度行驶,在0.1 s内内速度由速度由10.0ms加大到加大到10.5 ms,那么该赛车在半径为,那么该赛车在半径为30 m的环形公路段行驶中,的环形公路段行驶中,要达到同样大的速度需要多少时间?当环形公路段的半径为多少时,赛车的速度要达到同样大的速度需要多少时间?当环形公路段的半径为多少时,赛车的速度就不可能增大到超过就不可能增大到超过10 m/s?(公路的路面是水平的)?(公路的路面是水平的)直线加速时车的加速度直线加速时车的加速度:20005m/stvvat 在环形公路上,法向加速度在环形公路上,法向加速度 2tnvaR 0ttvvat 切向加速度切向加速度 222
10、0ntaaa 代入数据代入数据4210.50.2525900t 0.15t 200mvaR 当轨道半径令法向加速度大小等于当轨道半径令法向加速度大小等于a0:无切向加速度,赛车速率不会增加无切向加速度,赛车速率不会增加 m20mR 质点沿半径为质点沿半径为R的圆周运动,初速度的大小为的圆周运动,初速度的大小为v0在运动过程中,点的切向加速度与法向加速度大小恒相等,求经在运动过程中,点的切向加速度与法向加速度大小恒相等,求经时间时间T质点的速度质点的速度v 设速率从设速率从v0增加增加,取运动过程中第取运动过程中第i个极短时间个极短时间t,由题意有,由题意有本题用微元法本题用微元法210limi
11、iiitivvvtR 1201limliminiiitniivvTtRv 则则1111limnniiiRvv 01121111111nRvvvvvv 111limniiniiivvRv v 011Rvv 00RvRvv T 若速率从若速率从v0减小减小,有有00RvRvv T y 质点的运动是质点相对槽的运动及与槽一起质点的运动是质点相对槽的运动及与槽一起转动两者之合运动转动两者之合运动 如图所示,圆盘半径为如图所示,圆盘半径为R,以角速度,以角速度绕盘心绕盘心O转动,一质转动,一质点沿径向槽以恒定速度点沿径向槽以恒定速度u自盘心向外运动,试求质点的加速度自盘心向外运动,试求质点的加速度 AO
12、本题讨论中介参考系以本题讨论中介参考系以匀速转动时,质点加速度的构成匀速转动时,质点加速度的构成 u 设某一瞬时质点沿槽运动到与设某一瞬时质点沿槽运动到与O相距相距r的位置的位置AyBxOAurB u rut t 经经t时间,质点沿槽运动到与盘心时间,质点沿槽运动到与盘心O相距相距r+ut 的的位置位置B,盘转过了角度,盘转过了角度t,故质点实际应在位置,故质点实际应在位置B 在在t时间内,质点沿时间内,质点沿y方向速度增量为方向速度增量为 cossinyvutru ttu 在在t时间内,质点沿时间内,质点沿x方向速度增量为方向速度增量为 sincosxvutru ttr 注意到注意到t0时时
13、 cos1t sintt 20t 续解续解0limyAytvat 读题读题 0limturu ttut 2r 0limxAxtvat 0limtru tutrt 2 u 224Arau 方向与方向与x成成1tan2ru 2r 2 u 牵连加速度牵连加速度Aa 相对中介参考系的加速度相对中介参考系的加速度 a相相对对牵连加速度牵连加速度 牵牵连连2ar 2au 科科yxOA 由于参考系转动及质点对参考系有相对运动而由于参考系转动及质点对参考系有相对运动而产生的,方向指向产生的,方向指向u沿沿方向方向转过转过9090的方向的方向返回返回试手试手 如图所示如图所示,一等腰直角三角形一等腰直角三角形O
14、AB在其自身平面内在其自身平面内以等角速度以等角速度绕顶点绕顶点O转动,某一点转动,某一点M以等相对速度沿以等相对速度沿AB边运动,当边运动,当三角形转了一周时,三角形转了一周时,M点走过了点走过了AB,如已知,如已知ABb,试求,试求M点在点在A时时的速度与加速度的速度与加速度 求质点的速度求质点的速度OABM引入引入中介参照系中介参照系-三角形三角形OAB质点对轴质点对轴O的速度(相对速度的速度(相对速度)三角形三角形A点对轴的速度(牵连速度)点对轴的速度(牵连速度)质点对轴质点对轴O的速度(绝对速度)的速度(绝对速度)vM2Avb 2MAbv vMAvA?MAMAvvv三速度关系为三速度
15、关系为vM22222222cos4524Mbbvbb 45 28412b 方向与方向与AB夹角夹角12tan21 续解续解求质点的加速度求质点的加速度aaaaMMAA科科相对中介参考系的加速度相对中介参考系的加速度 0MAa 牵连加速度牵连加速度22ba 科科22Aab OABMaAa科科aM 222222222cos4522Mbbabb 22221b 方向与方向与AO夹角夹角11tan21 规律规律 曲线运动轨迹的曲率曲线运动轨迹的曲率曲线的弯曲程度用曲率描述曲线的弯曲程度用曲率描述 曲线上某点的曲率定义为曲线上某点的曲率定义为s 0limtKs 圆周上各点曲率相同圆周上各点曲率相同:R 1
16、KRR 曲线上各点对应的半径为该点曲线上各点对应的半径为该点曲率倒数曲率倒数1/1/K K的圆称为曲率圆的圆称为曲率圆,该该圆圆心称曲线该点的曲率中心圆圆心称曲线该点的曲率中心!M1 用矢量分解法求椭圆长轴与短轴端点的曲率半径用矢量分解法求椭圆长轴与短轴端点的曲率半径,已知长半轴与短半轴为已知长半轴与短半轴为a和和b.设质点在设质点在M平面内沿椭圆轨道以速率平面内沿椭圆轨道以速率v运动,这个运动在运动,这个运动在M1平面的一个分运动轨道恰成半径为平面的一个分运动轨道恰成半径为b的圆,则两平面间的圆,则两平面间夹角夹角1cosba 对椭圆长轴端的对椭圆长轴端的A点点:A1aA12AAva 对对A
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