| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
1.1.A |
|
运动学
AP 物理 C:力学 · 第 1 主题
1.1
标量与矢量
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
运动学(kinematics)描述运动。两种量:
- 一个标量(scalar)只有大小(大小(magnitude)):距离、速率、质量、时间。
- 一个矢量(vector)有大小和方向:位移、速度、加速度、力。
在这门基于微积分的课程里你把矢量分解成分量(components)并逐分量地把它们相加;一个矢量的大小是 $\sqrt{v_x^2+v_y^2+\cdots}$。物理 C 也用单位矢量(unit vectors)写矢量:$\vec{v}=v_x\hat{i}+v_y\hat{j}$,其中 $\hat{i}$ 和 $\hat{j}$ 是沿 $x$ 和 $y$ 的长度为一的方向——方便,因为微积分然后能分别作用于每个分量。


Explore the dot product
Drag the components of $\vec{A}$ and $\vec{B}$. The dot product $\vec{A}\cdot\vec{B}=A_xB_x+A_yB_y$ reaches zero exactly when the two vectors are perpendicular — the geometry behind $\cos\theta$.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Kinematics | 运动学 | yùn dòng xué |
| scalar | 标量 | biāo liàng |
| magnitude | 大小 | dà xiǎo |
| vector | 矢量 | shǐ liàng |
| components | 分量 | fèn liàng |
| unit vectors | 单位矢量 | dān wèi shǐ liàng |
1.2
位移、速度与加速度
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
1.2.A |
|
1.2.B |
|
1.2.C |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
因为运动能连续地变化,把速率定义为导数(derivatives):
对于恒定加速度这些给出熟悉的运动学方程($v=v_0+at$、$x=x_0+v_0t+\tfrac12at^2$、$v^2=v_0^2+2a\,\Delta x$)。最重要的恒定 $a$ 情况是自由落体(free fall):在地球表面附近每个物体,重的或轻的,一旦空气阻力可忽略就以 $g=9.8\ \text{m/s}^2$ 向下加速。当 $a$ 或 $v$ 随时间变化时,直接用积分。
Worked example. 一个质点以 $x(t)=2t^3-3t^2$(米)移动。求导得速度和加速度:
Worked example. 一个质点从原点静止开始,$a(t)=6t$。积分:$v=\int 6t\,dt=3t^2$ 而 $x=\int 3t^2\,dt=t^3$。在 $t=2\ \text{s}$,$v=12\ \text{m/s}$ 而 $x=8\ \text{m}$。


| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| derivatives | 导数 | dǎo shù |
| average velocity | 平均速度 | píng jūn sù dù |
| instantaneous velocity | 瞬时速度 | shùn shí sù dù |
| free fall | 自由落体 | zì yóu luò tǐ |
1.3
运动的表示
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
1.3.A |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics and AP Physics C: Electricity and Magnetism expects that for all situations in which a numerical quantity is required for g, the value $g \approx 10 \ \text{m/s}^2$ will be used. However, students will not be penalized for correctly using the more precise commonly accepted values of $g = 9.81 \ \text{m/s}^2$ or $g = 9.8 \ \text{m/s}^2$. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在描述、图、表和方程之间流畅地移动:

- 在一个位置-时间图上,斜率($dx/dt$)是速度。
- 在一个速度-时间图上,斜率是加速度而面积($\int v\,dt$)是位移。
- 在一个加速度-时间图上,面积($\int a\,dt$)是速度的变化。
斜率是导数;面积是积分——这两者在这里是逆运算。

Explore the velocity–time graph
Change the start velocity and acceleration. The slope of a $v$–$t$ line is the acceleration $a=\tfrac{dv}{dt}$, and the area underneath is the displacement $\Delta x=\int v\,dt$ — slope and area are the graphical faces of the derivative and the integral.
1.4
参考系与相对运动
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
1.4.A |
|
1.4.B |
Boundary statement: Unless otherwise stated, the frame of reference of any problem may be assumed to be inertial. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
所有运动都相对于一个参考系(reference frame)。通过矢量加法组合速度:$\vec{v}_{A/C}=\vec{v}_{A/B}+\vec{v}_{B/C}$。这处理横穿河流的船和移动车辆上的乘客——相对运动(relative motion)问题。把下标读作一个链:"A 相对于 B"加"B 相对于 C"给出"A 相对于 C"。
Worked example. 一艘在静水里以 $4.0\ \text{m/s}$ 移动的船直向横穿一条以 $3.0\ \text{m/s}$ 流动的河。相对于地面这艘船以 $\sqrt{4.0^2+3.0^2}=5.0\ \text{m/s}$ 移动,朝下游成角。若河宽 $80\ \text{m}$,穿越仍取 $t=\dfrac{80}{4.0}=20\ \text{s}$ ——只有横流分量穿过河;水流只把船带 $60\ \text{m}$ 下游。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| reference frame | 参考系 | cān kǎo xì |
| relative motion | 相对运动 | xiāng duì yùn dòng |
1.5
二维或三维运动
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
1.5.A |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to quantitatively analyze the motion of an object in two dimensions. AP Physics C: Electricity and Magnetism expects students to also qualitatively describe the motion of a particle in three dimensions. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在二维或三维里,位置是一个矢量 $\vec{r}(t)=\langle x(t),y(t),z(t)\rangle$,而速度和加速度是它的连续导数——每个分量独立处理。
Worked example. $\vec{r}(t)=\big(2t^2\big)\hat{i}+\big(4t-t^3\big)\hat{j}$(米)。对每个分量求导:$\vec{v}=4t\,\hat{i}+(4-3t^2)\,\hat{j}$ 而 $\vec{a}=4\,\hat{i}-6t\,\hat{j}$。在 $t=1\ \text{s}$:$\vec{v}=4\hat{i}+1\hat{j}$,所以速率是 $\sqrt{17}\approx4.1\ \text{m/s}$ ——没有新物理,只是每分量一个导数。

对于抛体运动(projectile motion),水平和竖直运动是独立的,只由时间 $t$ 联系:水平地 $a_x=0$(恒定速度)、竖直地 $a_y=-g$。路径是一条抛物线。这个分量方法延伸到任何沿每个轴的加速度已知的二维运动。
Worked example. 一个球以 $20\ \text{m/s}$、水平之上 $30^{\circ}$ 发射($g=9.8\ \text{m/s}^2$)。分量是 $v_{0x}=20\cos30^{\circ}=17.3\ \text{m/s}$ 而 $v_{0y}=20\sin30^{\circ}=10\ \text{m/s}$。竖直运动设定时间:总飞行 $=\dfrac{2v_{0y}}{g}=\dfrac{20}{9.8}=2.0\ \text{s}$、最大高度 $=\dfrac{v_{0y}^2}{2g}=5.1\ \text{m}$,而射程 $=v_{0x}\times2.0=35\ \text{m}$。

Explore projectile motion
Fire the projectile, then vary the angle and speed. The horizontal motion is steady while gravity acts only downward — together they trace a parabola. Find the angle that gives the greatest range (it peaks near $45^\circ$), and try the Moon.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| projectile motion | 抛体运动 | pāo tǐ yùn dòng |
1.5
考试技巧
- 在相加之前把每个矢量分解成分量——绝不直接相加成角度的大小。
- 在物理 C 上你被期望用微积分:速度是 $\vec v=\tfrac{d\vec r}{dt}$ 而加速度 $\vec a=\tfrac{d\vec v}{dt}$;用积分反转。
- 携带并检查单位,并用符号处理方向(选择一个正轴并坚持它)。
- 对功类型的量用点积,对力矩和角动量用叉积。
- 草绘矢量——一个图捕捉代数隐藏的符号和方向错误。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。