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交通大學 李威儀 p. 1 等加速度運動 Uniformly Accelerated Motion

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交通大學 李威儀

p. 1

等加速度運動

Uniformly

Accelerated

Motion

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p. 2

十七世紀後 ,

物理研究的快速發展與數學密不可分

從伽利略和牛頓開始 ,

物理與數學就緊密的結合在一起了

這一章就將示範

如何將物體運動中我們所關心的幾個參數之間的關係

以數學的形式串聯在一起

Kinematics, 運動學 描述運動現象中幾個參數彼此之間的關係

Dynamics, 運動力學 研究運動狀況為何改變

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運動方式 1. Translational 移動

2. Rotational 轉動

3. Vibrational 振動

for translational motion :

4 vectors position 位置

( 四個要考 displacement 位移

慮的向量 ) velocity 速度

acceleration 加速度

簡介 ( Introduction )

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• average speed, a scalar

speed = (distance traveled) / (time elapsed) = DS / Dt

• position vector : r = x i + y j + z k •

• displacement vector : Dr = rf – ro

• average velocity : vav = ( rf – ro ) / ( tf – to ) = Dr / Dt

( to : 起始時間 , tf : 終止時間 )

x

y

ro

rf

Dr

Ds

速率 ( Speed ) 與 速度 ( Velocity )

等速率圓周運動 :

速率 ( speed ) 是定值

速度 ( velocity ) 則隨時在變

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• average velocity : vav = ( rf – ro ) / ( tf – to ) = Dr / Dt

• In one-dimensional ( 一維空間 ) problems :

vav vav = Dx / Dt ( m/s ) = ( xf – xo ) / Dt

上例中 , different path, but same vav

t (s)

x (m)

to tf

xf

xo

Dx|

Dt

向量可以簡化為純量問題來考慮 :

Dx > 0 vav > 0

move in positive x direction

Dx < 0 vav < 0

move in negative x direction

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• Instantaneous velocity

1-dim : vx = lim Dx / Dt = dx / dt

( lim Dx dx, lim Dt dt )

vx : slope of the tangential line

vx > 0 +x 方向運動

vx < 0 -x 方向運動

2-dim and 3-dim : v = lim ( Dr / Dt ) = d r / dt

v : in the direction tangential to the path

Dt0

Dt0 Dt0

t

x

to tf’ tf

vav

vx

(Dt0)

Dt0

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v = d r / dt

= d ( x i + y j + z k ) / dt

= (dx / dt) i + (dy / dt) j + (dz / dt) k

= vx i + vy j + vz k

vx = dx / dt, vy = dy / dt, vz = dz / dt

v

circular motion

圓周運動

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position change velocity (d r / dt = v )

velocity change acceleration

average acceleration :

aav = Dv / Dt (m/s2)

= ( vf – vo ) / ( tf – to )

instantaneous acceleration :

a = lim ( Dv / Dt ) = dv / dt

= ( ) =

Dt0

d dr d2 r

dt dt dt2

加速度 ( Acceleration )

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ax 與 vx 同號 速率加快

ax 與 vx 異號 速率減慢

vx

t

t

ax

vx

t

t

ax

ex. ( one- dim. )

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• in previous sections :

from x vs. t v

v vs. t a

in this section :

from a vs. t v

v vs. t x

• a = dv / dt dv = a dt

( Dv = a Dt )

等加速度運動的例子 :

( 真空中的 ) 自由落體

線性等加速度運動 ( Linear Motion Under Const. Accel. )

• 描述一維空間的線性運動時

可以直接以正負值來代表向量的方向

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• a = dv / dt dv = a dt ( Dv = a Dt )

v(tn) – v(t=0)

= Dv1 + Dv2 + …… + Dvn

= a(t1) Dt + a(t2) Dt + ….. + a(tn) Dt

= a(tm) Dt = Dvm

= area under the ( a vs. t) curve

= a dt = dv

dv = a dt

v(tn) – vo = a tn

v(t) = vo + at

t

a

t

v

vo

S S n

m=1

n

m=1

tn

0

v

vo

v

vo

tn

0

t1 t3 tn-1 t2 t4 tn

vo

a t

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• v = dx / dt dx = v dt ( Dx = v Dt )

similarly x – xo (@ t = 0)

= S Dx = S v Dt

dx = v dt

dx = (vo + at) dt

(area under the v vs. t curve)

= vo dt + a t dt

x – xo = vo t + ½ a t 2

x

xo

t

0

x

xo

t

0

t

0

t

0

t

v

vo

a t

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• 面積分也可以為負值

e.g.

• a = dv/dt = (dv/dx) (dx/dt) = v (dv/dx)

vdv = adx

v dv = adx = a dx

(vn /2) – (vo /2) = a (xn – xo)

vn – vo = 2a (xn – xo)

v2 – vo = 2a (x – xo)

a

t

adt = a t < 0 t

0

vn

vo

xn

xo

xn

xo

2 2

2 2

2

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三秒鐘 , 他可以加速

到100 公里的時速

+ y

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

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ex. James Bond is walking under the tower of Pisa (54.6m high).

Somebody throws down a 10m long and wide board. Some girl

screams as a warning after 1.34 sec. Can Bond escape safely?

y = yo + voyt + ½ gt2

54.6 = ½ (9.8) t2 t = 3.34 sec.

Bond has 2 sec. to escape

x = xo + voxt + ½ at2

10 = ½ at2 = ½ a 22 = 2 a

a = 5 m/s2 at least

With Bond’s fast response,

maybe he can escape, as usual.

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• Terminal speed of free-falling body in air

for a person

vT ~ 300 km/hr ( 垂直降下 )

vT ~ 200 km/hr ( 四肢張開 )

vT

t

v in vacuum

in air

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• 自由落體的真正「終極速度」

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• Galileo proposed :

a 2-dim. motion 2 independent motions

水平 - 無外力作用,等速度運動

垂直 - 等加速度運動

如何以數學的形式描述這樣的運動 :

1st, choose a ref. frame : assume xo = 0

x = voxt , vy = voy – g t

y = yo + voy t – ½ g t2

vy = voy – 2g ( y – yo )

( read the text for examples )

2 2 x

y

vox ( voy = 0 )

拋體運動 ( Projectile Motion )

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Projectile Motion

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Projectile Motion

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This astonishing flying ring has amazingly

straight and accurate long flight.

This disk holds the Guinness world record for the

world's farthest thrown object –

an incredible 1,257 feet.

Inventor, Alan Adler

Stanford Professor

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例如 :

非等加速度運動 ( Non-Constant Acceleration Motion )

v(tn) – vo = a dt tn

0

x(tn) – xo = v dt tn

0

vo : t = 0 時的起始速度

xo : t = 0 時的起始位置

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非等加速度運動 ( Non-Constant Acceleration Motion )