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1、阮中中:62019712202.195.138.253/ec/c13/course/content/N30/bad/default.htm基礎(chǔ)物理學(xué)網(wǎng)上課堂基 礎(chǔ) 物 理 學(xué)牛牛 頓頓麥克斯韋麥克斯韋愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦學(xué)習(xí)物理學(xué)的目的:學(xué)習(xí)物理學(xué)的目的:(1培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀(2學(xué)會(huì)掌握科學(xué)的方法學(xué)會(huì)掌握科學(xué)的方法(3培養(yǎng)科學(xué)思維能力、發(fā)展智力培養(yǎng)科學(xué)思維能力、發(fā)展智力(4培養(yǎng)探索與創(chuàng)新精神培養(yǎng)探索與創(chuàng)新精神(1注重物理思想和物理方法的思考和研究注重物理思想和物理方法的思考和研究(2主動(dòng)培養(yǎng)自學(xué)能力,課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)。主動(dòng)培養(yǎng)自學(xué)能力,課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)。(3學(xué)會(huì)

2、記筆記記思路、要點(diǎn)和有特色的內(nèi)容)。學(xué)會(huì)記筆記記思路、要點(diǎn)和有特色的內(nèi)容)。(4高質(zhì)量及時(shí)地完成作業(yè)。高質(zhì)量及時(shí)地完成作業(yè)。學(xué)習(xí)方法和要求:學(xué)習(xí)方法和要求:第一篇 力學(xué)力學(xué)是一門(mén)古老的科學(xué),起源于公元前力學(xué)是一門(mén)古老的科學(xué),起源于公元前4世紀(jì)。但力學(xué)世紀(jì)。但力學(xué)成為一門(mén)科學(xué)理論是從成為一門(mén)科學(xué)理論是從17世紀(jì)開(kāi)始的,由伽利略論述慣世紀(jì)開(kāi)始的,由伽利略論述慣性運(yùn)動(dòng)到牛頓提出三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律。性運(yùn)動(dòng)到牛頓提出三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律。經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)牛頓力學(xué))牛頓力學(xué))相對(duì)論力學(xué)相對(duì)論力學(xué)量子力學(xué)量子力學(xué)弱引力場(chǎng)弱引力場(chǎng)中大塊物中大塊物體的低速體的低速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)高速領(lǐng)域高速領(lǐng)域微觀領(lǐng)域微觀領(lǐng)域質(zhì)點(diǎn)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)力學(xué)剛體力

3、學(xué)剛體力學(xué)流體力學(xué)流體力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)1、動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2、機(jī)械能守恒、機(jī)械能守恒3、振動(dòng)、振動(dòng)6、波動(dòng)、波動(dòng)7、相對(duì)、相對(duì)論論8剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)4流體力學(xué)流體力學(xué)5第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物質(zhì)在空間位置的變化與時(shí)間的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物質(zhì)在空間位置的變化與時(shí)間的關(guān)系。它只研究物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而不涉及引起運(yùn)動(dòng)和改它只研究物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而不涉及引起運(yùn)動(dòng)和改變運(yùn)動(dòng)的原因。變運(yùn)動(dòng)的原因。主要內(nèi)容:主要內(nèi)容:(1 1位矢、位移、速度、加速度矢量性、微積分);位矢、位移、速度、加速度矢量性、微積分);(2 2直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng);直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng);(3 3相對(duì)運(yùn)動(dòng)、伽利略相

4、對(duì)性原理。相對(duì)運(yùn)動(dòng)、伽利略相對(duì)性原理。1-1 參照系、坐標(biāo)系、質(zhì)點(diǎn):運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)存在的形式,是物質(zhì)的固有屬性。運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)存在的形式,是物質(zhì)的固有屬性。以不同物體為參照物觀察同一物體以不同物體為參照物觀察同一物體運(yùn)動(dòng)時(shí),所得結(jié)果不同。運(yùn)動(dòng)時(shí),所得結(jié)果不同。描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)前,被選擇作為參考標(biāo)準(zhǔn)的描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)前,被選擇作為參考標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)或一組物體。一個(gè)或一組物體。參照系的數(shù)學(xué)抽象。參照系的數(shù)學(xué)抽象。只有質(zhì)量而沒(méi)有形狀、大小、結(jié)構(gòu)的點(diǎn)。只有質(zhì)量而沒(méi)有形狀、大小、結(jié)構(gòu)的點(diǎn)。注:時(shí)刻和時(shí)間間隔的區(qū)別。注:時(shí)刻和時(shí)間間隔的區(qū)別。運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性:運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性:運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性:運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性:參照系:

5、參照系:坐標(biāo)系:坐標(biāo)系:質(zhì)點(diǎn):質(zhì)點(diǎn):空間反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的廣延性,空間反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的廣延性,時(shí)間反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性。時(shí)間反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性??臻g和時(shí)間牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀:空間和時(shí)間的存在獨(dú)立于物質(zhì),牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀:空間和時(shí)間的存在獨(dú)立于物質(zhì),與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀:時(shí)間與空間的測(cè)量依賴(lài)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀:時(shí)間與空間的測(cè)量依賴(lài)于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)??臻g尺度空間尺度 (相差(相差 1042) 1026 m150億光年)(哈勃半徑)億光年)(哈勃半徑) 10-16 m核子)核子)時(shí)間尺度時(shí)間尺度 (相差(相差1044 ) 1018 s150億年)

6、(宇宙年齡)億年)(宇宙年齡) 10-25 sZ0粒子壽命)粒子壽命) 1m10-1610-1410-1010-510101031061026 1021W+核子核子微觀微觀介觀介觀宏觀宏觀宇觀宇觀山山太陽(yáng)系太陽(yáng)系地球地球哈勃半徑哈勃半徑星系星系原子原子原子核原子核DNA人人1-2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述:1、 位置矢量:位置矢量:直角坐標(biāo)系中,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程:直角坐標(biāo)系中,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程:軌道方程:軌道方程:由矢量方程表示的運(yùn)動(dòng)方程:由矢量方程表示的運(yùn)動(dòng)方程:)t ( zz),t ( yy),t (xx 0)z , y,x(f k)t ( zj )t ( yi )t (x)t (rr rzco

7、s,rycos,rxcoszyxrr222 xyz0 ijk)z , y,x(P稱(chēng)為質(zhì)點(diǎn)的位置矢量或位矢。稱(chēng)為質(zhì)點(diǎn)的位置矢量或位矢。r2、位移:、位移:xyz0r rs rr )t (A)tt (B t 時(shí)刻:時(shí)刻:kzj yi xr t + t 時(shí)刻:時(shí)刻:k zj yi x r k)z z(j )y y(i )x x(r rr kzjyixr 則質(zhì)點(diǎn)在則質(zhì)點(diǎn)在 t 時(shí)間內(nèi)的位移為:時(shí)間內(nèi)的位移為:注:注: 路程與位移的區(qū)別;路程與位移的區(qū)別;dsrd0r;drrd,rr 時(shí)時(shí),但但 3、速度:(質(zhì)點(diǎn)位置變化的快慢及方、速度:(質(zhì)點(diǎn)位置變化的快慢及方向)向)xyz0r r r)t (A)tt

8、 (B AvBvv速度在直角坐標(biāo)系中的表示:速度在直角坐標(biāo)系中的表示:平均速度:平均速度:trv 指向指向 方向方向r 瞬時(shí)速度:瞬時(shí)速度:)sm(dtrdtrlimv0t 指向指向 的極限方向,即軌道切線(xiàn)方向。的極限方向,即軌道切線(xiàn)方向。vr 速度的大小速度的大小(速率速率)dtdsdtrdvv 注:注:dtdrdtrdv kvjvivkdtdzjdtdyidtdxdtrdvzyx 2z2y2xvvvv 4、加速度:(質(zhì)點(diǎn)速度變化的快慢及方、加速度:(質(zhì)點(diǎn)速度變化的快慢及方向)向)xyz0r r)t (A)tt (B v v瞬時(shí)加速度:瞬時(shí)加速度:)sm(dtrddtvdtvlima2220

9、t 平均加速度:平均加速度:指向指向 方向方向v tva 指向指向 的極限方向,一般不在軌道的的極限方向,一般不在軌道的切線(xiàn)方向。切線(xiàn)方向。av 注:注:dtdvdtvd 加速度在直角坐標(biāo)系中的表示:加速度在直角坐標(biāo)系中的表示:kajaiakdtdvjdtdvidtdvdtvdazyxzyx 2z2y2xaaaa v vv v 運(yùn)動(dòng)學(xué)中的兩類(lèi)問(wèn)題運(yùn)動(dòng)學(xué)中的兩類(lèi)問(wèn)題 微分問(wèn)題:微分問(wèn)題: 積分問(wèn)題:積分問(wèn)題:)t (aa)t (vv)t (rr dtrdv 22dtrddtvda )t (rr),t (rr)t (vv00 求求和和初初始始條條件件已已知知:)t (vv),t (vv)t (aa

10、00 求求和初始條件和初始條件已知:已知: tt00dt)t (avv tt00dt)t (vrr1-3 直 線(xiàn) 運(yùn) 動(dòng):1、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的位移、速度和加速度:、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的位移、速度和加速度:運(yùn)動(dòng)方程:運(yùn)動(dòng)方程:)t (xx 速度:速度:dtdxtxlimvtxv0t 加速度:加速度:dtdvtvlimatva0t xxtt00dtvdxdtvdx vvtt00dtadvdtadv tt00dtavvxt0t0ttxxx0 tt00dtvxxv-t 曲線(xiàn)下的面曲線(xiàn)下的面積積vt0t0ttvvv0vt0tatv02ta21tv02、勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng):、勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng):0 xx0t,0av 時(shí),時(shí),設(shè)設(shè)

11、常量,常量,運(yùn)動(dòng)方程:運(yùn)動(dòng)方程:vtxx0 3、勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng):、勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng):常量常量 a設(shè)設(shè)t = 0 t = 0 時(shí),質(zhì)點(diǎn)速度為時(shí),質(zhì)點(diǎn)速度為 v0v0,坐標(biāo)為,坐標(biāo)為 x0 x0那么:那么: t0200000at21tvxdt)atv(xxatvv又:又: vvxx00dvvdxadtdvvdtdxdxdvdtdva即:即:)xx(a2vv0202 習(xí)習(xí) 題題 1-17在離水面高為在離水面高為h的岸邊,有人以的岸邊,有人以v0勻速用繩把船拉向岸邊,勻速用繩把船拉向岸邊,當(dāng)船與岸的水平距離是當(dāng)船與岸的水平距離是 s 時(shí),求船的速度和加速度。時(shí),求船的速度和加速度。hslv0dlds解一

12、:解一:22hls sshvhl2dtdll2dtdsv22022 解二:解二:22shsdscosdsdl sshvvshsdtdsdtdl22022 即即解三:解三:sshvcosvv2200 2222220sdtdsshdtdssh2s2v )ssh(dtdvdtdva220 2222220shshssvv sshvv220 3220shva即:即:1-4 圓 周 運(yùn) 動(dòng):、勻速圓周運(yùn)動(dòng):(速度大小不變、方向變、勻速圓周運(yùn)動(dòng):(速度大小不變、方向變化)化)v vv t 時(shí)間內(nèi)速度增量:時(shí)間內(nèi)速度增量:v vv tABRvtvRABvv 當(dāng)當(dāng)t0 時(shí)的極限方向指向圓心時(shí)的極限方向指向圓心v

13、 nRvntslimRvntABlimRvtvlima20t0t0t A(t)B(t+t)Rov vsnnRva2 稱(chēng)為法向加速度或向心加速度稱(chēng)為法向加速度或向心加速度稱(chēng)為單位法線(xiàn)矢量稱(chēng)為單位法線(xiàn)矢量n1、圓周運(yùn)動(dòng)的、圓周運(yùn)動(dòng)的“自然坐標(biāo)表示:自然坐標(biāo)表示:、變速圓周運(yùn)動(dòng):(速度大小、方向均、變速圓周運(yùn)動(dòng):(速度大小、方向均變化)變化)t 時(shí)間內(nèi)速度增量:時(shí)間內(nèi)速度增量:tnvvv vv dtdvnRvtvlimtvlimtvlima2t0tn0t0t nRva2n 法向加速度由速度方向變化引起)法向加速度由速度方向變化引起) dtdvat 切向加速度由速度大小變化引起)切向加速度由速度大小變

14、化引起)ABRov vn v vv nv tv v v 速度方向變化對(duì)速度方向變化對(duì) 的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn):vn 速度大小變化對(duì)速度大小變化對(duì) 的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn):vt tn2t2naatanaaaa tanaao變速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度在變速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度在“自然坐標(biāo)系中表示為:自然坐標(biāo)系中表示為: dtdvnRvaaa2tn 任意曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的加速度:任意曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的加速度:由數(shù)學(xué)知:曲線(xiàn)上每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)與之相切的曲率圓,由數(shù)學(xué)知:曲線(xiàn)上每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)與之相切的曲率圓,其半徑其半徑稱(chēng)為曲率半徑。稱(chēng)為曲率半徑。當(dāng)以當(dāng)以P點(diǎn)的曲率圓代替點(diǎn)的曲率圓代替P點(diǎn)附近元弧段時(shí)以圓代曲),點(diǎn)附近元弧段時(shí)以圓代曲),則質(zhì)

15、點(diǎn)在則質(zhì)點(diǎn)在P點(diǎn)時(shí)的加速度可表示為:點(diǎn)時(shí)的加速度可表示為: dtdvnvaaa2n Pn 2、圓周運(yùn)動(dòng)的角量表示:、圓周運(yùn)動(dòng)的角量表示:A(t)B(t+t)Ro+s yx角位移:角位移: = (t +t ) (t)規(guī)定:規(guī)定: 逆時(shí)針為正、順時(shí)針為負(fù)。逆時(shí)針為正、順時(shí)針為負(fù)。 角位置:角位置: ( (單位:?jiǎn)挝唬簉ad )rad )角速度:角速度:平均:平均:瞬時(shí):瞬時(shí):t dtdtlim0t ( (單位:?jiǎn)挝唬簉ad/s )rad/s )角加速度:角加速度:平均:平均:瞬時(shí):瞬時(shí):t 220tdtddtdtlim ( (單位:?jiǎn)挝唬簉ad/s2 )rad/s2 )勻速圓周運(yùn)動(dòng)勻速圓周運(yùn)動(dòng) =

16、 0 = 0):):t0 勻變速圓周運(yùn)動(dòng)勻變速圓周運(yùn)動(dòng) = =常量):常量):200t21t t0 )(20202 線(xiàn)量與角量的關(guān)系:線(xiàn)量與角量的關(guān)系: RdtdRdtdsv RdtdRdtdvat 22nRRva 用角量表示的圓周運(yùn)動(dòng)方程:用角量表示的圓周運(yùn)動(dòng)方程:例題例題 1 2 (圓周運(yùn)動(dòng)的直角坐標(biāo)表示)(圓周運(yùn)動(dòng)的直角坐標(biāo)表示)jsinRicosRr sinRycosRx 軌道方程:軌道方程:222Ryx 運(yùn)動(dòng)方程位矢):運(yùn)動(dòng)方程位矢):速度:速度:jdtdcosRidtdsinRv 加速度:加速度:jdtdcos)dtd(sinRidtdsin)dtd(cosRa222222 Ro

17、yxrvjdtdcosRidtdsinRv jdtdcos)dtd(sinRidtdsin)dtd(cosRa222222 設(shè)質(zhì)點(diǎn)以角速度設(shè)質(zhì)點(diǎn)以角速度 作勻速圓周運(yùn)動(dòng),作勻速圓周運(yùn)動(dòng),t = 0t = 0時(shí)時(shí) = 0 = 0,則,則 = t = t。此時(shí):此時(shí):0dtd,dtd22 常量常量jtsinRi tcosRa22 所以:所以:jtcosRitsinRv 顯然,顯然,0av 即勻速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度總是指向圓心向心加速度)。即勻速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度總是指向圓心向心加速度)。地球的自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度和加速度地球的自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度和加速度PanRvoRo自轉(zhuǎn)周期自轉(zhuǎn)周期T = 243600 秒,地球半徑秒

18、,地球半徑 R = 6370 km。則地球表面緯度為則地球表面緯度為處的線(xiàn)速度和加速度:處的線(xiàn)速度和加速度: cos1063. 4TcosR2Rv2 cos1037. 3TcosR4Ra2222n 22ns/m1058. 2as/m356v5739 北北京京22ns/m1089. 2as/m398v1231 上上海海22ns/m1010. 3as/m428v23 廣廣州州22ns/m1037. 3as/m463v0 赤赤道道1-6 相相 對(duì)對(duì) 運(yùn)運(yùn) 動(dòng):動(dòng):xyz x y zo oRr rPu系系)(S系系)( S不同參照系中觀察同一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)所得結(jié)果是不同的。不同參照系中觀察同一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)所

19、得結(jié)果是不同的。設(shè)設(shè)S S、SS為相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)參照系。為相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)參照系。那么:那么:A aau vvR rr A為兩參照系間加速度為兩參照系間加速度tuR oo0tu0A 重重合合。則則、時(shí)時(shí),令令恒恒矢矢量量。,即即當(dāng)當(dāng)伽利略變換:伽利略變換: aauvvtu rrF amamF, aa 即牛頓定律的形式對(duì)伽利略即牛頓定律的形式對(duì)伽利略變換保持不變。變換保持不變。不同參照系中的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)以地球?yàn)閰⒄障狄蕴?yáng)為參照系 拋 體 運(yùn) 動(dòng):xyo0g0vv以?huà)伾潼c(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。設(shè)以?huà)伾潼c(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。設(shè)t = 0t = 0時(shí),物體速度為時(shí),物體速度為0v任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的加速度為:任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的加速度

20、為:jga 速度:速度:jgt)jsinvicosv(dtavv0000t00 j)gtsinv(icosv0000 即:即:gtsinvvcosvv00y00 x 位矢:位矢:j)gt21sintv(icostvdtvrr20000t00 即:即:20000gt21tsinvytcosvx 水平方向的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)水平方向的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)豎直方向的勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)豎直方向的勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)疊加原理運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性原理):運(yùn)動(dòng)疊加原理運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性原理):曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)可看作若干個(gè)獨(dú)立的分運(yùn)動(dòng)的疊加。曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)可看作若干個(gè)獨(dú)立的分運(yùn)動(dòng)的疊加。從運(yùn)動(dòng)方程中消去時(shí)間從運(yùn)動(dòng)方程中消去時(shí)間 t t,得到拋體運(yùn)動(dòng)的軌道方

21、程:,得到拋體運(yùn)動(dòng)的軌道方程:202200 xcosv2gxtany 為一拋物線(xiàn)方程為一拋物線(xiàn)方程上式中令上式中令 y = 0y = 0,得拋體運(yùn)動(dòng)的射程為:,得拋體運(yùn)動(dòng)的射程為:g2sinvR020 當(dāng)當(dāng)0 = 45 時(shí)射程最大時(shí)射程最大以以 x = R/2x = R/2代入軌道方程中,得拋體運(yùn)動(dòng)中的最大高度為:代入軌道方程中,得拋體運(yùn)動(dòng)中的最大高度為:g2sinvH0220 拋體運(yùn)動(dòng)例題參考例題拋體運(yùn)動(dòng)例題參考例題1-6)在山坡上向水平距離在山坡上向水平距離S = 40m S = 40m 投擲小球,初速投擲小球,初速v0 = 20m/sv0 = 20m/s,拋出點(diǎn)高于目標(biāo)拋出點(diǎn)高于目標(biāo)h = 6mh = 6m,求:投擲角,求:投擲角 00,擊中目標(biāo)時(shí)的速度,擊中目標(biāo)時(shí)的速度v v,經(jīng)歷的時(shí)間,經(jīng)歷的時(shí)間 t t。yvxS-gh0oxvyv0 xv0y0vv小球的運(yùn)動(dòng)可分解為水平方向的勻速小球的運(yùn)動(dòng)可分解為水平方向的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和豎直方向的上拋運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和豎直方向的上拋運(yùn)動(dòng)。 gtsinvvcosvv00y00 x 速度:速度: 20000gt21sintvycostvx 運(yùn)動(dòng)方程:運(yùn)動(dòng)方程:202200 xcosv2gx)(tany 軌道方程:軌道方程:yvxS-gh0oxvyv0 xv0y0vv擊中目標(biāo)時(shí)擊中目標(biāo)

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