第三部分 運(yùn)動學(xué)

第一講　基本知識介紹

一． 基本概念

1．  質(zhì)點

2．  參照物

3．  參照系——固連于參照物上的坐標(biāo)系（解題時要記住所選的是參照系，而不僅是一個點）

4．絕對運(yùn)動，相對運(yùn)動，牽連運(yùn)動：v_絕=v_相+v_牽 

二．運(yùn)動的描述

1．位置：r=r(t) 

2．位移：Δr=r(t+Δt)－r(t)

3．速度：v=lim_Δt→0Δr/Δt.在大學(xué)教材中表述為：v=dr/dt, 表示r對t 求導(dǎo)數(shù)

5．以上是運(yùn)動學(xué)中的基本物理量，也就是位移、位移的一階導(dǎo)數(shù)、位移的二階導(dǎo)數(shù)�？墒�

三階導(dǎo)數(shù)為什么不是呢？因為牛頓第二定律是F=ma,即直接和加速度相聯(lián)系。（a對t的導(dǎo)數(shù)叫“急動度”。）

6．由于以上三個量均為矢量，所以在運(yùn)算中用分量表示一般比較好

三．等加速運(yùn)動

v(t)=v₀+at           r(t)=r₀+v₀t+1/2 at² 

 一道經(jīng)典的物理問題：二次世界大戰(zhàn)中物理學(xué)家曾經(jīng)研究，當(dāng)大炮的位置固定，以同一速度v₀沿各種角度發(fā)射，問：當(dāng)飛機(jī)在哪一區(qū)域飛行之外時，不會有危險？（注：結(jié)論是這一區(qū)域為一拋物線，此拋物線是所有炮彈拋物線的包絡(luò)線。此拋物線為在大炮上方h=v²/2g處，以v₀平拋物體的軌跡。） 

練習(xí)題：

一盞燈掛在離地板高l₂,天花板下面l₁處。燈泡爆裂，所有碎片以同樣大小的速度v 朝各個方向飛去。求碎片落到地板上的半徑（認(rèn)為碎片和天花板的碰撞是完全彈性的，即切向速度不變，法向速度反向；碎片和地板的碰撞是完全非彈性的，即碰后靜止。）

四．剛體的平動和定軸轉(zhuǎn)動

1． 我們講過的圓周運(yùn)動是平動而不是轉(zhuǎn)動 

  2．  角位移φ=φ（t）, 角速度ω=dφ/dt , 角加速度ε=dω/dt

 3．  有限的角位移是標(biāo)量，而極小的角位移是矢量

4．  同一剛體上兩點的相對速度和相對加速度 

兩點的相對距離不變，相對運(yùn)動軌跡為圓弧，V_A=V_B+V_AB,在AB連線上

投影：[V_A]_AB=[V_B]_AB,a_A=a_B+a_AB,a_AB=_,aⁿ_AB+_,a^τ_AB, _,a^τ_AB垂直于AB,_,aⁿ_AB=V_AB²/AB 

例：A，B，C三質(zhì)點速度分別V_A ，V_B  ，V_C      

求G的速度。

五．課后習(xí)題：

一只木筏離開河岸，初速度為V，方向垂直于岸邊，航行路線如圖。經(jīng)過時間T木筏劃到路線上標(biāo)有符號處。河水速度恒定U用作圖法找到在2T，3T，4T時刻木筏在航線上的確切位置。

五、處理問題的一般方法

（1）用微元法求解相關(guān)速度問題

例1：如圖所示，物體A置于水平面上，A前固定一滑輪B，高臺上有一定滑輪D，一根輕繩一端固定在C點，再繞過B、D，BC段水平，當(dāng)以恒定水平速度v拉繩上的自由端時，A沿水平面前進(jìn)，求當(dāng)跨過B的兩段繩子的夾角為α?xí)r，A的運(yùn)動速度。

（v_A＝）

（2）拋體運(yùn)動問題的一般處理方法

1. 平拋運(yùn)動
2. 斜拋運(yùn)動
3. 常見的處理方法

（1）將斜上拋運(yùn)動分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動和豎直方向的豎直上拋運(yùn)動

（2）將沿斜面和垂直于斜面方向作為x、y軸，分別分解初速度和加速度后用運(yùn)動學(xué)公式解題

（3）將斜拋運(yùn)動分解為沿初速度方向的斜向上的勻速直線運(yùn)動和自由落體運(yùn)動兩個分運(yùn)動，用矢量合成法則求解

例2：在擲鉛球時，鉛球出手時距地面的高度為h，若出手時的速度為V₀，求以何角度擲球時，水平射程最遠(yuǎn)？最遠(yuǎn)射程為多少？

（α=、 x=）

第二講 運(yùn)動的合成與分解、相對運(yùn)動

（一）知識點點撥

1. 力的獨立性原理：各分力作用互不影響，單獨起作用。
2. 運(yùn)動的獨立性原理：分運(yùn)動之間互不影響，彼此之間滿足自己的運(yùn)動規(guī)律
3. 力的合成分解：遵循平行四邊形定則，方法有正交分解，解直角三角形等
4. 運(yùn)動的合成分解：矢量合成分解的規(guī)律方法適用
1. 位移的合成分解 B.速度的合成分解 C.加速度的合成分解

參考系的轉(zhuǎn)換：動參考系，靜參考系

相對運(yùn)動：動點相對于動參考系的運(yùn)動

絕對運(yùn)動：動點相對于靜參考系統(tǒng)（通常指固定于地面的參考系）的運(yùn)動

牽連運(yùn)動：動參考系相對于靜參考系的運(yùn)動

（5）位移合成定理：S_A對地=S_A對B+S_B對地

速度合成定理：V_絕對=V_相對+V_牽連

加速度合成定理：a_絕對=a_相對+a_牽連

（二）典型例題

（1）火車在雨中以30m/s的速度向南行駛，雨滴被風(fēng)吹向南方，在地球上靜止的觀察者測得雨滴的徑跡與豎直方向成21^。角，而坐在火車?yán)锍丝涂吹接甑蔚膹桔E恰好豎直方向。求解雨滴相對于地的運(yùn)動。

提示：矢量關(guān)系入圖

答案：83.7m/s

（2）某人手拿一只停表，上了一次固定樓梯，又以不同方式上了兩趟自動扶梯，為什么他可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)來計算自動扶梯的臺階數(shù)？

提示：V人對梯=n1/t1

      V梯對地=n/t2

      V人對地=n/t3

V人對地= V人對梯+ V梯對地

答案：n=t₂t₃n₁/（t₂-t₃）t₁

(3)某人駕船從河岸A處出發(fā)橫渡，如果使船頭保持跟河岸垂直的方向航行，則經(jīng)10min后到達(dá)正對岸下游120m的C處，如果他使船逆向上游，保持跟河岸成а角的方向航行，則經(jīng)過12.5min恰好到達(dá)正對岸的B處，求河的寬度。

提示：120=V水*600

        D=V船*600

 答案：200m

（4）一船在河的正中航行，河寬l=100m，流速u=5m/s，并在距船s=150m的下游形成瀑布，為了使小船靠岸時，不至于被沖進(jìn)瀑布中，船對水的最小速度為多少？

提示：如圖船航行

答案：1.58m/s

（三）同步練習(xí)

1.一輛汽車的正面玻璃一次安裝成與水平方向傾斜角為β₁=30°，另一次安裝成傾角為β₂=15°。問汽車兩次速度之比為多少時，司機(jī)都是看見冰雹都是以豎直方向從車的正面玻璃上彈開？（冰雹相對地面是豎直下落的）

2、模型飛機(jī)以相對空氣v=39km/h的速度繞一個邊長2km的等邊三角形飛行，設(shè)風(fēng)速u = 21km/h ，方向與三角形的一邊平行并與飛機(jī)起飛方向相同，試求：飛機(jī)繞三角形一周需多少時間？

3.圖為從兩列蒸汽機(jī)車上冒出的兩股長幅氣霧拖尾的照片（俯視）。兩列車沿直軌道分別以速度v₁=50km/h和v₂=70km/h行駛，行駛方向如箭頭所示，求風(fēng)速。

4、細(xì)桿AB長L ，兩端分別約束在x 、 y軸上運(yùn)動，（1）試求桿上與A點相距aL（0＜ a ＜1)的P點運(yùn)動軌跡；（2）如果v_A為已知，試求P點的x 、 y向分速度v_Px和v_Py對桿方位角θ的函數(shù)。

（四）同步練習(xí)提示與答案

1、提示：利用速度合成定理，作速度的矢量三角形。答案為：3。

2、提示：三角形各邊的方向為飛機(jī)合速度的方向（而非機(jī)頭的指向）；

第二段和第三段大小相同。

參見右圖，顯然：

v² =  + u² － 2v_合ucos120°

可解出 v_合 = 24km/h 。

答案：0.2hour（或12min.）。

3、提示：方法與練習(xí)一類似。答案為：3

4、提示：（1）寫成參數(shù)方程后消參數(shù)θ。

（2）解法有講究：以A端為參照， 則桿上各點只繞A轉(zhuǎn)動。但鑒于桿子的實際運(yùn)動情形如右圖，應(yīng)有v_牽 = v_Acosθ，v_轉(zhuǎn) = v_A，可知B端相對A的轉(zhuǎn)動線速度為：v_轉(zhuǎn) + v_Asinθ=  。

P點的線速度必為  = v_相 

所以 v_Px = v_相cosθ+ v_Ax ，v_Py = v_Ay － v_相sinθ

答案：（1） +  = 1 ，為橢圓；（2）v_Px = av_Actgθ ，v_Py =（1 － a）v_A

（1）用密封性能良好的活塞把一定質(zhì)量的理想氣體封閉在導(dǎo)熱性能良好的汽缸中，汽缸的內(nèi)壁光滑．現(xiàn)將汽缸緩慢地由水平放置（如圖甲所示）變成豎直放置（如圖乙所示）．在此過程中如果環(huán)境保持恒溫，下列說法正確的是（     ）

A．氣體分子的平均速率不變
B．氣體分子的平均動能變大
C．氣缸內(nèi)壁單位面積上受到氣體分子撞擊的平均作用力不變
D．氣缸內(nèi)氣體的分子數(shù)密度變大
（2）一定質(zhì)量理想氣體的p-V圖象如圖所示，其中a→b為等容過程，b→c為等壓過程，c→a為等溫過程，已知氣體在狀態(tài)a時的溫度T_a=600K，在狀態(tài)b時的體積V_b=11.2L，則：氣體在狀態(tài)c時的體積V_c=＿＿＿＿L；氣體由狀態(tài)b到狀態(tài)c過程從外界吸收的熱量Q與對外做功W的大小關(guān)系為Q＿＿＿＿W．（填“大于”、“小于”、“等于”）

（3）水的密度ρ=1.0×10³kg/m³，水的摩爾質(zhì)量M=1.8×10^?2kg/mol，阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6.02×10²³mol^?1，求：1cm³的水中有多少個水分子？（結(jié)果保留一位有效數(shù)字．）
B．（選修模塊3－4）（12分）
（1）下列說法中正確的是_________．
A．水面上的油膜在陽光照射下會呈現(xiàn)彩色，這是由光的衍射造成的
B．根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論可知，變化的電場周圍一定可以產(chǎn)生變化的磁場
C．狹義相對論認(rèn)為：光在真空中的傳播速度都是一個常數(shù)，不隨光源和觀察者所在參考系的相對運(yùn)動而改變．
D．在“探究單擺周期與擺長的關(guān)系”的實驗中，測量單擺周期應(yīng)該從小球經(jīng)過平衡位置處開始計時，以減小實驗誤差
（2）如圖所示，一個半徑為R的1/4透明球體放置在水平面上，一束藍(lán)光從A點沿水平方向射入球體后經(jīng)B點射出，最后射到水平面上的C點．已知OA＝，該球體對藍(lán)光的折射率為．則它從球面射出時的出射角β＝___________；若換用一束紫光同樣從A點射向該球體，則它從球體射出后落到水平面上形成的光點與C點相比，位置__________（填“偏左”、“偏右”或“不變”）．

（3）一列簡諧橫波沿x軸正方向傳播，周期為T=2s，t＝0時刻的波形如圖所示．此刻，波剛好傳到x=6m處，求：質(zhì)點a平衡位置的坐標(biāo)x＝10m處的質(zhì)點，經(jīng)多長時間第一次經(jīng)過平衡位置向y軸負(fù)方向運(yùn)動？

C．（選修模塊3－5）（12分）
（1）下列說法中正確的是（      ）
A．比結(jié)合能越小，原子核越穩(wěn)定
B．一群氫原子從n=4的激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，有可能輻射出6種不同頻率的光子
C．在光電效應(yīng)實驗中，光電子的最大初動能與入射光強(qiáng)無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大
D．隨著溫度的升高，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長方向移動
（2）發(fā)生衰變有多種可能性．其中的一種可能是，先衰變成，再經(jīng)一次衰變變成（X代表某種元素），或再經(jīng)一次衰變變成和最后都衰變成，衰變路徑如圖所示，則由圖可知：①②③④四個過程中＿＿＿＿＿＿＿＿是α衰變；＿＿＿＿＿＿是β衰變．

（3）如圖所示，車廂的質(zhì)量為M，長度為L，靜止在光滑水平面上，質(zhì)量為m的木塊（可看成質(zhì)點）以速度v₀無摩擦地在車廂底板上向右運(yùn)動，木塊與前車壁碰撞后以v₀/2的速度向左運(yùn)動，則再經(jīng)過多長時間，木塊將與后車壁相碰？

（1）用密封性能良好的活塞把一定質(zhì)量的理想氣體封閉在導(dǎo)熱性能良好的汽缸中，汽缸的內(nèi)壁光滑．現(xiàn)將汽缸緩慢地由水平放置（如圖甲所示）變成豎直放置（如圖乙所示）．在此過程中如果環(huán)境保持恒溫，下列說法正確的是（     ）

A．氣體分子的平均速率不變

B．氣體分子的平均動能變大

C．氣缸內(nèi)壁單位面積上受到氣體分子撞擊的平均作用力不變

D．氣缸內(nèi)氣體的分子數(shù)密度變大

（2）一定質(zhì)量理想氣體的p-V圖象如圖所示，其中a→b為等容過程，b→c為等壓過程，c→a為等溫過程，已知氣體在狀態(tài)a時的溫度T_a=600K，在狀態(tài)b時的體積V_b=11.2L，則：氣體在狀態(tài)c時的體積V_c=＿＿＿＿L；氣體由狀態(tài)b到狀態(tài)c過程從外界吸收的熱量Q與對外做功W的大小關(guān)系為Q＿＿＿＿W．（填“大于”、“小于”、“等于”）

（3）水的密度ρ=1.0×10³kg/m³，水的摩爾質(zhì)量M=1.8×10^?2kg/mol，阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6.02×10²³mol^?1，求：1cm³的水中有多少個水分子？（結(jié)果保留一位有效數(shù)字．）

B．（選修模塊3－4）（12分）

（1）下列說法中正確的是_________．

A．水面上的油膜在陽光照射下會呈現(xiàn)彩色，這是由光的衍射造成的

B．根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論可知，變化的電場周圍一定可以產(chǎn)生變化的磁場

C．狹義相對論認(rèn)為：光在真空中的傳播速度都是一個常數(shù)，不隨光源和觀察者所在參考系的相對運(yùn)動而改變．

D．在“探究單擺周期與擺長的關(guān)系”的實驗中，測量單擺周期應(yīng)該從小球經(jīng)過平衡位置處開始計時，以減小實驗誤差

（2）如圖所示，一個半徑為R的1/4透明球體放置在水平面上，一束藍(lán)光從A點沿水平方向射入球體后經(jīng)B點射出，最后射到水平面上的C點．已知OA＝，該球體對藍(lán)光的折射率為．則它從球面射出時的出射角β＝___________；若換用一束紫光同樣從A點射向該球體，則它從球體射出后落到水平面上形成的光點與C點相比，位置__________（填“偏左”、“偏右”或“不變”）．

（3）一列簡諧橫波沿x軸正方向傳播，周期為T=2s，t＝0時刻的波形如圖所示．此刻，波剛好傳到x=6m處，求：質(zhì)點a平衡位置的坐標(biāo)x＝10m處的質(zhì)點，經(jīng)多長時間第一次經(jīng)過平衡位置向y軸負(fù)方向運(yùn)動？

C．（選修模塊3－5）（12分）

（1）下列說法中正確的是（      ）

A．比結(jié)合能越小，原子核越穩(wěn)定

B．一群氫原子從n=4的激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，有可能輻射出6種不同頻率的光子

C．在光電效應(yīng)實驗中，光電子的最大初動能與入射光強(qiáng)無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大

D．隨著溫度的升高，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長方向移動

（2）發(fā)生衰變有多種可能性．其中的一種可能是，先衰變成，再經(jīng)一次衰變變成（X代表某種元素），或再經(jīng)一次衰變變成和最后都衰變成，衰變路徑如圖所示，則由圖可知：①②③④四個過程中＿＿＿＿＿＿＿＿是α衰變；＿＿＿＿＿＿是β衰變．

（3）如圖所示，車廂的質(zhì)量為M，長度為L，靜止在光滑水平面上，質(zhì)量為m的木塊（可看成質(zhì)點）以速度v₀無摩擦地在車廂底板上向右運(yùn)動，木塊與前車壁碰撞后以v₀/2的速度向左運(yùn)動，則再經(jīng)過多長時間，木塊將與后車壁相碰？