正文 第一章 質點運動學(四)(1 / 2)

1.3習題指導

一、基本思路

如前所述,運動學問題可分為由運動方程出發,通過微分求得速度和加速度,以及由加速度出發,結合初始條件,通過積分求得速度和運動方程這兩大類。也有些運動學問題不在這兩類之中的。求解運動學問題必須:

1.審清埋意,分清類型,是解決問題的關鍵

首先要審清題目所敘述的物理內容,物理過程,給了哪些條件?要解決什麼問題?是屬於第一類還是第二類問題。

2.分析運動特點,合理建立坐標係

根據題意和運動學知識分析質點作何種運動:直線還是曲線?勻變速還是非勻變速?有無相對運動等,從而粗略地抓住其運動特點。進而在此基礎上,合理建立坐標係。所謂“合理”,是指建立的坐標係應便於分析運動規律,易於建立簡明易算的方程。由於運動學問題十分龐雜,所給條件又千差萬別,不可能存在一個固定的坐標模式。

3.建立方程,科學運算

明確了問題的類型,又初步確定了它的運動規律和特點,按二所確立的坐標規定的矢量正負,就不難建立所需的方程或方程的分量式,然後進行科學計算。一般是先進行文字運算,解出所求量為元的表達式;若有數字代入計算,應注意單位統一和科學計算數法。

如果方程數少於未知量數,則要從物理的另外規律或數學幾何關係上尋找輔助方程,以滿足求解條件。有的結果,可以展開討論,以加深或擴展對物理問題的理解。

二、例題剖析

【例1】一升降機以加速度沿豎直方向上升,在上升過程中,有一螺釘從升條機的天花板上脫落。升降機的天花板與其底板間的距離,試求螺釘從天花板落到底板上所需的時間。

【解法一】由題意可知,螺釘下落,底板上升,二者相遇,這是以螺絲釘和底板為研究對象的兩個作直線運動物體的相遇問題。

螺釘的運動特點:脫落前與升降機一起向上作勻變速直線運動而到某一速度時脫落,相當於豎直上拋運動;底板是作勻加速向上運動。因此,這是運動學第一類問題,由運動方程求出時間。

建立的坐標,選螺釘脫落時底板所在位置為原點0。設L1和L2為底板與螺釘相遇時分別經曆的位移,由勻變速-直線運動方程。

【解法二】解法一是以地球為參照係求解的。現以升降機L為參照係,則可認為升降機是靜止的,螺釘自天花板下落是作初速為零的勻加速直線運動(注意不是自由落體運動)。

【例2】一質點沿半徑為0.10m的圓周運動,其角位置(弧度表示)與時間t(秒表示)的關係式為2+4t3。求:

1.t=2s時的法向加速度和切向加速度;

2.當切向加速度的大小是總加速度大小的一半時值是多少?

【解】此題為已知運動方程求速度和加速度的第一類問題。

根據題意,質點在0.10m的圓周上運動,由定義式運用微分可得質點的速率、切向加速度向加速度。

1.4教學建議

一、內容處理

1.本章地位

本章內容是描述質點運動的基礎知識。質點運動學中確立的質點物理模型、位移、速度、加速度等概念,以及建立坐標係、運用微積分處理物理問題的方法,是學好後續物理知識的必要準備。雖然本章中討論的多是典型運動何題,但能熟練掌握了一些基本規律,就能為今後學習或解決複雜運動問題打好基礎。因此,無論在將來的學習和工作中,質點運動學都是要經常用到的最基礎的知識。

2.講授係統

質點運動學的內容安排,有的教材先討論二維乃至三維直角坐標係下的位移,速度,逆速度;再討論一維運動,拋體運動和圓運動規律,這時對作為結論直接應用而不作複述最後,在非勻速率圓運動中引出概念。也有的教材先從勻變速直線運動中速度、加速度概念,然後引伸到二維,逐步建立起Δt的普適表達式。前者起點較高,對於開闊思路,避免與中學物理內容的重複以及節省學時有利;後者從特殊到一般,從簡單到複雜,螺旋上升,加深印象,切合認識過程。授課中的實際執行程序,應針對學生實際情況,不必拘泥於教材。