大学物理(上)-期末知识点结合习题复习(2)——运动的描述考点总结、质点运动学-牛顿运动定律

news2024/11/18 23:36:34

目录

运动的描述

期末考点

质点运动学

牛顿运动定律知识点

题1(牛顿第二定律)

题目描述

题解

题2 (圆周运动)

题目描述

题解


运动的描述

期末考点

1.速度和加速度的推导

平均速度\overline{v}=\frac{\overrightarrow{AB}}{\Delta t}=\frac{\Delta \overrightarrow{r}}{\Delta t}=\frac{\Delta s}{\Delta t}平均速度反映的只是在一段时间内位移的变化,如果需要精准的地知道质点在某一时刻t(或某一位置)的运动情况,应使\Delta t尽量减小而趋近于零,用平均速度的极限值——瞬时速度来描述。

瞬时速度(速度):v=\lim_{\Delta t\to0}\frac{\Delta \overrightarrow{r}}{\Delta t}=\frac{d\overrightarrow{r}}{dt}

 

从速度矢量图可以看出,在时间\Delta t内质点速度的增量为\Delta v=v_B-v_A 

与平均速度的定义类似,平均加速度为:\overline{a}=\frac{\Delta v}{\Delta t}

同理,引入瞬时加速度的概念,

质点在某时刻或某位置的瞬时加速度(简称加速度)等于当时间趋近于零时平均加速度的极限值,

\overrightarrow{a}=\lim_{\Delta t\to0}\frac{\Delta \overrightarrow{v}}{\Delta t}=\frac{d\overrightarrow{v}}{dt}=\frac{d^2\overrightarrow{r} }{d t^2}

\overrightarrow{a}=\left | \overrightarrow{a} \right |=\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}


2.匀变速直线运动公式推导

(1)把数学式\frac{dv}{dt}=a改写成dv=adt

已知其a为恒量,质点的初始条件为t=0,v=v0,两边同时积分,得

\int_{v_0}^{v}dv=\int_{0}^{t}adt

解得:v-v_0=at

第一个公式v=v_0+at

(2)把数学式v=\frac{dx}{dt}根据(1)改写成\frac{dx}{dt}=v_0+at

整理成dx=(v_0+at)dt

两边积分,得\int_{x_0}^{x}dx=\int_{0}^{t}(v_0+at)dt

解得:x-x_0=v_0t+\frac{1}{2}at^2,即第二个公式

(3)把加速度a=\frac{dv}{dt}改写成a=\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dx}\frac{dx}{dt}=v\frac{dv}{dx}

于是,有:vdv=adx

两边积分,得\int_{v_0}^{v}vdv=\int_{x_0}^{x}adx

解得:\frac{1}{2}(v^2-v_0^2)=a(x-x_0)

第三个公式v^2-v_0^2=2a(x-x_0)


3.圆周运动-线量和角量的变换 总加速度

v=R\omega

a_\tau= R\beta

a_n=\frac{v^2}{R}=v\omega =R\omega ^2

总加速度\overrightarrow{a}=\overrightarrow{a_n}+\overrightarrow{a_\tau }\: \:\: \: \: \: \: \: \: \: \overrightarrow{a_\tau }=\frac{dv}{dt}\: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \overrightarrow{a_n}=\frac{v^2}{R}


4.相对运动-绝对速度 相对速度 牵连速度成矢量三角形

 

质点运动学

牛顿运动定律知识点

1.牛顿第一定律

任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。

\overrightarrow{F}=0时,\overrightarrow{v}=恒矢量

2.惯性参考系

惯性——物体保持其运动状态不变的特性。

如果物体在一参考系中不受其它物体作用,而保持静止或者匀速直线运动,这个参考系就称为惯性参考系。

3.牛顿第二定律

动量为\overrightarrow{p}的物体,在合外力\overrightarrow{F}(=\sum \overrightarrow{F_{i}})的作用下,其动量随时间的变化率应当等于作用于物体的合外力.

\overrightarrow{F}(t)=\frac{d\overrightarrow{p(t)}}{dt}=\frac{d(m\overrightarrow{v})}{dt},当v\ll c时,m为常量.

故而可以写成:\overrightarrow{F}(t)=m\frac{d\overrightarrow{v}}{dt}=m\overrightarrow{a}

4.牛顿定律的矢量性 

\overrightarrow{F}=ma_x\overrightarrow{i}+ma_y\overrightarrow{j}+ma_z\overrightarrow{k}

\left\{\begin{matrix} F_x=ma_x\\ F_y=ma_y\\ F_z=ma_z \end{matrix}\right.

5.牛顿第三定律

\overrightarrow{F_{12}}=-\overrightarrow{F_{21}}(物体间相互作用规律) 

6.物理量的单位

物理量长度L质量M时间T电流I热力学温度物质的量发光强度
单位名称千克安培开尔文摩尔坎德拉
符号mkgsAKmolcd

7.量纲

导出量与基本量之间的关系式。基本量纲:L、M、T。

如:

速度的量纲是  LT^{-1}

角速度的量纲是  T^{-1}

力的量纲是  MLT^{-2}

题1(牛顿第二定律)

题目描述

质量为m的子弹以速率v_0竖直射入沙土中,设子弹所受阻力与速度反向,大小与速度成正比,比例系数为K,忽略子弹的重力。求:(1)子弹射入沙土后,速度随时间变化的函数式;(2)子弹进入沙土的最大深度。

题解

第一问,求速度随时间变化的函数式,我们先受力分析

受到摩擦力的作用,我们定竖直向下为正方向。

由牛顿第二定律得, ma=-Kv

变换加速度,有:m\frac{dv}{dt}=-Kv

分离变量,整理,并两边同时积分:\int_{0}^{v}\frac{1}{v}dv=\int_{0}^{t}\frac{K}{m}dt

解得:\ln \frac{v}{v_0}=-\frac{K}{m}t,最后整理一下就可以得到速度随时间变化的函数式了:v=v_0e^{-\frac{K}{m}t}

第二问,求子弹进入沙土的最大深度,可以利用前面的关系式得到速率与深度的关系。

由第一问知,m\frac{dv}{dt}=-Kv

变换一下,m\frac{dv}{dx}(\frac{dx}{dt})=-Kv,没有影响原式的结果吧,而这里的\frac{dx}{dt}就是v。

所以有,mv\frac{dv}{dx}=-Kv.

同样分离变量,两边同时积分:\int_{v_0}^{0}dv=-\frac{K}{m}\int_{0}^{h}dx,初速度为v0,射入沙土后减为0.

解得:0-v_0=-\frac{K}{m}h\Rightarrow h=\frac{mv_0}{K}

题2 (圆周运动)

题目描述

质量为m的质点沿半径为R的圆周按规律S=v_0t+\frac{1}{2}bt^2,其中S是路程,t是时间,v_0,b均为常量。求t时刻作用于质点的切向力和法向力?

题解

由牛二可简单地得出:F_\tau =ma_\tau ,F_n=ma_n

接下来就分别求出加速度,

切向a_\tau =\frac{dv}{dt}=\frac{d}{dt}(\frac{ds}{dt})=\frac{d^2 }{d x^2}(v_0t+\frac{1}{2}bt^2)=b

所以t时刻作用于质点的切向力为:F_\tau =mb

法向a_n=\frac{v^2}{R}=\frac{1}{R}(\frac{ds}{dt})^2=\frac{1}{R}(v_0+bt)^2

所以t时刻作用于质点的法向力为:F_n=\frac{m}{R}(v_0+bt)^2


end


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