引入

坐在行驶的火车里看窗外的树,树在往后退;站在地面看同一棵树,它不动。同一个物体,为什么会有两种描述?

计算地球绕太阳公转时,为什么可以把地球当成一个点?

描述运动必须先回答“相对于谁”。没有参考标准,位置、速度、加速度都无法定义。参考系解决这个问题,坐标系把这个标准变成可计算的数字,质点模型则决定哪些细节可以先忽略。

这三件事是所有运动学公式的前提。公式本身不难,难的是选错参考系或漏掉“质点”这个前提。

正文

定义

参考系是为描述物体运动而选定的参照物体或物体群。同一运动在不同参考系中可以有不同描述。

质点

定义

当物体的形状、体积对所研究的问题影响可以忽略时,可把物体看成一个带质量的点,称为质点。

质点是一个理想模型,不是“物体变小了”。地球绕太阳公转时,地球直径远小于轨道半径,可以当质点;研究地球自转时,就不能。

判断能否用质点,看的是所研究的问题,不是物体本身的大小。

坐标系

选定参考系后,还要用坐标把位置量化。常用三种:

坐标系适用场景特点
笛卡尔坐标系直线运动、抛体运动、受力分析各轴方向固定,矢量分解方便
极坐标系圆周运动、有心力问题用 和 描述,旋转问题更简洁
自然坐标系轨迹已知的曲线运动沿轨迹建立切向和法向,直接对应速度、加速度方向

笛卡尔坐标系

定义

又名直角坐标系,由两条(或三条)过原点相互垂直的坐标轴构成,任意点的位置由各轴上的坐标确定。

推广到三维笛卡尔坐标系

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任意两点的距离由勾股定理给出:

极坐标系

笛卡尔坐标系在描述位移、速度、受力时很方便,但描述旋转时很麻烦。旋转问题通常改用极坐标。

定义

用原点到点的距离 (半径)和原点到点方向与极轴的夹角 作为参数表示点的坐标。

自然坐标系

自然坐标系 把坐标轴建立在轨迹上,专门处理曲线运动。

引出

自然坐标系不是一个非惯性参考系。它虽然把 分解为两个正交分量 和 ,但这两个方向都对应实际存在的力或运动趋势,不是虚拟力。

同一运动在不同参考系中加速度是否相同?什么时候必须引入惯性力?

Footnotes

  1. 图像来源:wikimedia commons,作者:Memnod,CC BY-SA 4.0 ↩