1、1第一篇第一篇力力 學學2力學力學研究物體研究物體機械運動的科學的科學。“我奉獻這一作品，作為哲學的數學原理，我奉獻這一作品，作為哲學的數學原理，因為哲學的全部責任似乎在于從運動現象因為哲學的全部責任似乎在于從運動現象去研究力，然后從這些力去說明其它現去研究力，然后從這些力去說明其它現象。象。” 牛頓牛頓-自然哲學的數學原理自然哲學的數學原理引言引言3機械運動機械運動物體間相對位置發生變化的運動。物體間相對位置發生變化的運動。 機械運動的基本形式機械運動的基本形式平動平動物體上任一直線恒保持平行的運動。物體上任一直線恒保持平行的運動。轉動轉動各點繞一軸作圓周運動。各點繞一軸作圓周運動。質點質點

2、把實際物體看成只有質量而無大和小形狀把實際物體看成只有質量而無大和小形狀的力學研究對象。的力學研究對象。 兩種模型兩種模型研究對象能否看成質點依具體研究情況而定。研究對象能否看成質點依具體研究情況而定。剛體剛體任何情況下大小和形狀都不發生變化的力任何情況下大小和形狀都不發生變化的力學研究對象。學研究對象。 第一章第一章質點運動學質點運動學451-2 1-2 位矢、位移、速度位矢、位移、速度一、位矢、運動方程一、位矢、運動方程例：例：物體作拋體運動，其位置表示物體作拋體運動，其位置表示位置矢量位置矢量從參考點指向質點所在位置的有向線段。從參考點指向質點所在位置的有向線段。 但更方便的是用一但更方

3、便的是用一“位置矢量位置矢量”來表示。來表示。00200cos1sin2xvtyvtgt6參照系參照系運動方程運動方程直角坐標系中直角坐標系中運動方程運動方程運動質點的位置與時間的關系式。運動質點的位置與時間的關系式。位置矢量位置矢量p( )( )( )xx tyy tzz trop( )rr t( )( )( )rx t iy t jz t koxzyr7位矢的大小位矢的大小位矢的方向位矢的方向位矢位矢rxiyjzk222|rrxyzcos, cos, cosxyzrrr222cos coscos1xozyrkji8例：例：已知質點位置矢量（運動方程）已知質點位置矢量（運動方程）求其運動軌跡

4、。求其運動軌跡。解：解：由運動方程得由運動方程得整理得軌跡方程：整理得軌跡方程：消去消去t得得y(cm)(cm)43 312-3-3-1-2-40 x(cm)(cm)軌跡及運動方向如圖。軌跡及運動方向如圖。22(204)15cmrtit j2220415xtyt42015xy34120 xy0,40,3yxxy 9二、質點的位移二、質點的位移定義：定義：當質點從當質點從a運動到運動到b時，由時，由a點指向點指向b點的有向點的有向線段，稱為這兩點間的位移，記為線段，稱為這兩點間的位移，記為 。r計算計算（直角坐標中（直角坐標中）：意義：意義：反映運動質點位置的變化。反映運動質點位置的變化。abb

5、arrr() ()bbbaaax iy jz kx iy jz kxiyjzk arbrrxozyab10位移的方向位移的方向位移的大小位移的大小位移位移abbarrrxiyjzk 222rxyzarccosxrarccosyrarccoszrarbrrxozyab11討論：討論：位移是矢量位移是矢量路程是標量路程是標量位移的大小位移的大小區分位移與路程區分位移與路程位矢的變化位矢的變化實際運動路徑實際運動路徑位矢大小的改變量位矢大小的改變量三角形的任意兩邊之差小于第三邊。三角形的任意兩邊之差小于第三邊。| r|21| |rrr 21rrr 1221|rp prr12sPP 21| r| |r

6、 |r | |sr| r| 1r2rr1p2ps12注意區分注意區分 和和方向：方向：與與 同方向同方向平均速度平均速度三、質點的速度三、質點的速度大小：大小：r平均速率平均速率v例：例：質點沿橢圓運動一周后質點沿橢圓運動一周后vavrvvtSvtrvt0r ()Sab0v ()0abvtarbrrxozyabsoabm13瞬時速度（速度）瞬時速度（速度）定義定義速度矢量速度矢量瞬時速度的直角坐標式瞬時速度的直角坐標式0limtrdrvtdt ()drdvxiyjzkdtdtdxdydzijkdtdtdtxyzv iv jv krdrrdrrxozy14速度大小速度大小速度方向速度方向的極限方

7、向，即運動軌跡的切線方向。的極限方向，即運動軌跡的切線方向。方向余弦方向余弦速度反映質點在某時刻或某位置的速度反映質點在某時刻或某位置的運動狀態。運動狀態。時時222222|xyzdxdydzvvvvvdtdtdtcos, cos,cosyxzvvvvvv0t rOvbrarabsvr15瞬時速率（速率）瞬時速率（速率）注意：注意：但但所以所以因此，常稱速度的大小為速率。因此，常稱速度的大小為速率。00limlimttsdsvvtdt |,rabsabvvtttt|vv|drdsdtdt|vvOvbrarabsvr1v16沿沿 方向方向平均加速度平均加速度矢量矢量瞬時加速度（加速度）瞬時加速度

8、（加速度）反映質點在某時刻運動狀態改變的快慢程度。反映質點在某時刻運動狀態改變的快慢程度。方向為方向為 的極限方向的極限方向1-3 加速度一、加速度一、加速度2121vvvattt220limtvdvd ratdtdt vv2vv1t2t2v17加速度的計算（直角坐標）加速度的計算（直角坐標）dvadtyxzdvdvdvijkdtdtdt222222d xd yd zijkdtdtdtxyza ia ja k22xxdvd xadtdt22yydvd yadtdt22zzdvd zadtdtzaxayaa18加速度的大小加速度的大小zaxayaa222|xyzaaaaa222yxzdvdvdv

9、dtdtdt222222222d xd yd zdtdtdt19質點作曲線運動，判斷下列式子的正誤質點作曲線運動，判斷下列式子的正誤根據質點運動學方程判斷正誤：根據質點運動學方程判斷正誤：質點作勻加速直線運動，加速度為正。質點作勻加速直線運動，加速度為正。質點作勻加速直線運動，加速度為負。質點作勻加速直線運動，加速度為負。質點作變加速直線運動，加速度為正。質點作變加速直線運動，加速度為正。質點作變加速直線運動，加速度為負。質點作變加速直線運動，加速度為負。思考題思考題解：解：rr sr sr sr rr 3324xtt2224d xatdt 0aconsta| r|2ps1pr2r1r20例：

10、例：已知質點作勻加速直線運動，加速度大小為已知質點作勻加速直線運動，加速度大小為a，求該質點的運動方程以及速度與位移的關系。求該質點的運動方程以及速度與位移的關系。解解：已知加速度求運動方程已知加速度求運動方程質點作一維直線運動，采用標量形式質點作一維直線運動，采用標量形式兩端積分可得速度兩端積分可得速度: :dvadtdvadtdvadt00vtvdvadt0vvat21根據速度的定義式根據速度的定義式兩端積分兩端積分再消去時間，得再消去時間，得得運動方程得運動方程0vvatdxvdt0vat0()dxvat dt000()xtxdxvat dt20012xxv tat22002 ()vva

11、 xx22例：例：一質點由靜止開始作直線運動，初始加速度為一質點由靜止開始作直線運動，初始加速度為a0，以后加速度均勻增加，每經過以后加速度均勻增加，每經過 秒增加秒增加a0，求經過，求經過t 秒后秒后質點的速度和運動的距離。質點的速度和運動的距離。( (直線運動，故用標量代替矢量。）直線運動，故用標量代替矢量。）解：解：據題意知，加速度和時間的關系為：據題意知，加速度和時間的關系為：200001()2aavadtat dta ttc201000 0 2atvcva tt,00aaat dvadvadtdt23 dxvdxvdtdt20023002()2 26axvdta ttdtaattc2230000 0 26txcaaxtt,24課堂練習課堂練習: : 已知質點的運動方程已知質點的運動方程求求: : （1 1） 質點在第一秒末時的速度和加速度；質點在第一秒末時的速度和加速度；（2 2） 分析質點運動情況；分析質點運動情況；（3 3）第一秒內位移及平均速度；第一秒內位移及平均速度；（4 4） 第一秒內所經歷的路程。第一秒內所經歷的路程。解解: :（1 1）(2)(2) 令令0v 0a 勻減速勻減速0.5st 0v 0a勻加速勻加速所以所以: :0.5t 0t xv0.5t vx2633xtt36dxvtdt226d xadt 1|3m