等加速度運動 - ocw.nctu.edu.tw
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交通大學 李威儀
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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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• 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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• 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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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