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运动学

AP 物理 C:力学 · 知识点 1

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7:31

运动学

火箭升空。每过一秒,其发动机推力更强,加速度持续增加。现在试着用你最初学过的运动学方程来求它的速度……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

1.1

标量与矢量

教学大纲

学习目标 1.1.A: 根据情况,使用大小和方向来描述标量或矢量。

  • 1.1.A.1 标量是仅由大小描述的物理量;矢量是由大小和方向共同描述的物理量。
  • 1.1.A.2 矢量可以直观地建模为箭头,其方向适当,长度与大小成正比。
  • 1.1.A.3 距离和速率是标量的例子,而位置、位移、速度和加速度是矢量的例子。
  • 1.1.A.4 矢量可以用单位向量表示法或大小加方向来表示。
    • 1.1.A.4.i 单位向量表示法可用于将矢量表示为其在 $x$-、$y$- 和 $z$- 方向上组成分量的和,分别用 $\hat{i}$、$\hat{j}$ 和 $\hat{k}$ 表示。
      • 公式: $\vec{r} = \left( A\hat{i} + B\hat{j} + C\hat{k} \right)$
    • 1.1.A.4.ii 某点的位置矢量记为 $\vec{r}$,沿位置矢量方向的单位矢量记为 $\hat{r}$。
    • 1.1.A.4.iii 合矢量是各分量矢量之和。
      • 公式: $\vec{C} = \vec{A} + \vec{B}$
      • 公式: $\vec{C} = \left( A_x + B_x \right)\hat{i} + \left( A_y + B_y \right)\hat{j}$
  • 1.1.A.5 在给定的一个一维坐标系中,相反的方向用相反的符号表示。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Kinematics 运动学 describes motion. Two kinds of quantity:

  • A scalar 标量 has only size (magnitude 大小): distance, speed, mass, time.
  • A vector 矢量 has magnitude and direction: displacement 位移, velocity 速度, acceleration 加速度, force.

In this calculus-based course you resolve 分解 vectors into components 分量 and add them component by component; a vector's magnitude is $\sqrt{v_x^2+v_y^2+\cdots}$. Physics C also writes vectors with unit vectors 单位矢量: $\vec{v}=v_x\hat{i}+v_y\hat{j}$, where $\hat{i}$ and $\hat{j}$ are directions of length one along $x$ and $y$ – handy because calculus can then act on each component separately.

Resolving a vector into its x and y components
Resolving a vector into its x and y components
A car speedometer: speed is the magnitude of velocity — a scalar rate of motion
A car speedometer: speed is the magnitude of velocity — a scalar rate of motion
探索

探索点积

拖动$\vec{A}$和$\vec{B}$的分量。点积$\vec{A}\cdot\vec{B}=A_xB_x+A_yB_y$在两个向量垂直时恰好达到零——这是$\cos\theta$背后的几何原理。

词汇 训练
English 中文 拼音
Kinematics/ˌkɪnɪˈmætɪks/ 运动学 yùn dòng xué
scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng
magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 大小 dà xiǎo
vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng
displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí
velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù
acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù
resolve/rɪˈzɒlv/ 分解 fēn jiě
components/kəmˈpəʊnənts/ 分量 fēn liàng
unit vectors/ˈjuːnɪt ˈvektəz/ 单位矢量 dān wèi shǐ liàng
1.2

位移、速度与加速度

教学大纲

学习目标 1.2.A: 描述物体位置的变化。

  • 1.2.A.1 在使用质点模型时,忽略物体的大小、形状和内部结构。该物体可被视为一个具有质量、电荷等广延性质的单一点。
  • 1.2.A.2 位移是物体位置的变化。
    • 公式: $\Delta x = x - x_0$

学习目标 1.2.B: 描述物体的平均速度和平均加速度。

  • 1.2.B.1 速度和平均加速度的平均值是通过考虑物体在时间间隔内的初态和末态计算得出的。
  • 1.2.B.2 平均速度是物体的位移除以发生该位移的时间间隔。
    • 公式: $\vec{v}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.3 平均加速度是速度的变化量除以该速度变化所发生的时间间隔。
    • 公式: $\vec{a}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.4 如果物体速度的大小和/或方向发生变化,则该物体正在加速(即存在加速度)。
  • 1.2.B.5 在极短的时间间隔内计算平均速度或平均加速度,所得结果非常接近瞬时速度或瞬时加速度。

学习目标 1.2.C: 描述作为时间函数的物体瞬时位置、速度和加速度。

  • 1.2.C.1 当用于计算某量平均值的 time interval 趋近于零时,该量的平均值趋近于该时刻的量值,称为瞬时值。
    • 1.2.C.1.i 瞬时速度是物体位置的变化率,等于位置对时间的导数。
      • 公式: $\vec{v} = \dfrac{d\vec{r}}{dt}$
      • 公式: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.2.C.1.ii 瞬时加速度是物体速度的变化率,等于速度对时间的导数。
      • 公式: $\vec{a} = \dfrac{d\vec{v}}{dt}$
      • 公式: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
  • 1.2.C.2 可以使用微分和积分来确定随时间变化的位置、速度和加速度的函数及瞬时值。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Projectile motion is two independent motions

Because motion can change continuously, define the rates as derivatives 导数:

$$v=\frac{dx}{dt},\qquad a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}.$$
Reversing this, integrate 积分 to recover velocity and position 位置:
$$v(t)=v_0+\int_0^t a\,dt,\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v\,dt.$$
Distinguish the average from the instantaneous: average velocity 平均速度 is $\Delta x/\Delta t$ over an interval, while instantaneous velocity 瞬时速度 is the derivative at one moment – the slope 斜率 of the tangent line 切线, and what a speedometer 速度计 shows.

For constant acceleration these give the familiar kinematic equations 运动学方程 ($v=v_0+at$, $x=x_0+v_0t+\tfrac12at^2$, $v^2=v_0^2+2a\,\Delta x$). The most important constant-$a$ case is free fall 自由落体: near Earth's surface every object, heavy or light, accelerates downward at $g=9.8\ \text{m/s}^2$ once air resistance 空气阻力 is negligible 可忽略的. When $a$ or $v$ varies with time, use the integrals directly.

Worked example. A particle moves with $x(t)=2t^3-3t^2$ (metres). Differentiate for velocity and acceleration:

$$v=\frac{dx}{dt}=6t^2-6t,\qquad a=\frac{dv}{dt}=12t-6.$$
At $t=2\ \text{s}$, $v=24-12=12\ \text{m/s}$ and $a=24-6=18\ \text{m/s}^2$. This calculus link – not just the constant-$a$ formulas – is what distinguishes Physics C.

Worked example. A particle starts from rest at the origin with $a(t)=6t$. Integrate: $v=\int 6t\,dt=3t^2$ and $x=\int 3t^2\,dt=t^3$. At $t=2\ \text{s}$, $v=12\ \text{m/s}$ and $x=8\ \text{m}$.

On a velocity-time graph the gradient is the acceleration and the area is the displacement
On a velocity-time graph the gradient is the acceleration and the area is the displacement
A high-speed train: kinematics describes displacement, velocity and acceleration over time
A high-speed train: kinematics describes displacement, velocity and acceleration over time
探索

运动图像

设定初始速度和加速度,然后从图像中读取位移、速度和加速度。

词汇 训练
English 中文 拼音
derivatives/dɪˈrɪvətɪvz/ 导数 dǎo shù
integrate/ˈɪntɪɡreɪt/ 积分 jī fēn
position/pəˈzɪʃn/ 位置 wèi zhì
average velocity/ˈævrɪdʒ vəˈlɒsɪti/ 平均速度 píng jūn sù dù
instantaneous velocity/ˌɪnstənˈteɪnɪəs vəˈlɒsɪti/ 瞬时速度 shùn shí sù dù
slope/sləʊp/ 斜率 xié lǜ
tangent line/ˈtændʒənt laɪn/ 切线 qiè xiàn
speedometer 速度计 sù dù jì
kinematic equations 运动学方程 yùn dòng xué fāng chéng
free fall/friː fɔːl/ 自由落体 zì yóu luò tǐ
air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空气阻力 kōng qì zǔ lì
negligible/ˈneɡlɪdʒəbl/ 可忽略的 kě hū lüè de
1.3

运动的表示

教学大纲

学习目标 1.3.A: 使用物体运动的表示方法来描述物体的位置、速度和加速度。

  • 1.3.A.1 运动可以通过运动图、图示、图表、方程和叙述性描述来表示。
  • 1.3.A.2 对于恒定加速度,可以使用三个运动学方程来描述一维瞬时线性运动:
    • 方程: $v_x = v_{x0} + a_x t$
    • 方程: $x = x_0 + v_{x0} t + \dfrac{1}{2} a_x t^2$
    • 方程: $v_x^2 = v_{x0}^2 + 2a_x \left( x - x_0 \right)$
    • 注:上述方程是为指示在 $x$ 方向上的运动而编写的,但根据情况,这些方程可用于任何单一维度。
  • 1.3.A.3 在地球表面附近,由重力引起的垂直加速度是向下的、恒定的,其测量值大约等于
    • 方程: $a_g = g \approx 10 \ \text{m/s}^2$。
  • 1.3.A.4 位置、速度和加速度随时间变化的图表可用于查找这些量之间的关系。
    • 1.3.A.4.i 物体的瞬时速度是物体位置的变化率,它等于物体位置随时间变化图上某点切线的斜率。
      • 方程: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.3.A.4.ii 物体的瞬时加速度是物体速度的变化率,它等于物体速度随时间变化图上某点切线的斜率。
      • 方程: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
    • 1.3.A.4.iii 物体在一段时间间隔内的位移等于物体速度随时间变化图线下方的面积(即函数与水平轴之间在相应区间内围成的面积)。
      • 方程: $\Delta x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} v_x(t) \ dt$
    • 1.3.A.4.iv 物体在一段时间间隔内的速度变化量等于物体加速度随时间变化图线下方的面积。
      • 方程: $\Delta v_x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} a_x(t) \ dt$

边界声明: AP Physics C: Mechanics 和 AP Physics C: Electricity and Magnetism 要求,在所有需要 g 的数值量的情况下,将使用值 $g \approx 10 \ \text{m/s}^2$。但是,如果学生正确使用了更精确的常用接受值 $g = 9.81 \ \text{m/s}^2$ 或 $g = 9.8 \ \text{m/s}^2$,不会受到惩罚。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Move fluently between description, graph, table, and equation:

A displacement-time graph: the slope at any instant is the velocity
A displacement-time graph: the slope at any instant is the velocity
  • On a position–time graph, the slope ($dx/dt$) is velocity.
  • On a velocity–time graph, the slope is acceleration and the area ($\int v\,dt$) is displacement.
  • On an acceleration–time graph, the area ($\int a\,dt$) is the change in velocity.

Slopes are derivatives; areas are integrals – the two are inverse operations 逆运算 here.

Position, velocity, and acceleration are linked by differentiation
Position, velocity, and acceleration are linked by differentiation
探索

探索速度-时间图

改变初始速度和加速度。$v$–$t$线的斜率是加速度$a=\tfrac{dv}{dt}$,而面积下方是位移$\Delta x=\int v\,dt$——斜率和面积分别是导数和积分的图形表现。

词汇 训练
English 中文 拼音
inverse operations 逆运算 nì yùn suàn
1.4

参考系与相对运动

教学大纲

学习目标 1.4.A: 描述给定观察者的参考系。

  • 1.4.A.1 参考系的选择将决定该参考系中的观察者所测量的物理量的方向和大小。

学习目标 1.4.B: 描述不同惯性参考系中观察者测得的物体运动。

  • 1.4.B.1 来自某一特定参考系的测量值可以转换为来自另一参考系的测量值。
  • 1.4.B.2 物体的观测速度是由物体自身的速度与观察者参考系的速度共同决定的。
    • 1.4.B.2.i 在给定参考系中合成物体的运动与观察者的运动,涉及矢量的加或减。
    • 1.4.B.2.ii 任何物体的加速度在所有惯性参考系中的测量值均相同。

边界说明:除非另有说明,否则可假设任何问题的参考系均为惯性参考系。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

All motion is relative to a reference frame 参考系. Combine velocities by vector addition 矢量相加: $\vec{v}_{A/C}=\vec{v}_{A/B}+\vec{v}_{B/C}$. This handles boats crossing rivers and passengers on moving vehicles – relative motion 相对运动 problems. Read the subscripts as a chain: "A relative to B" plus "B relative to C" gives "A relative to C".

Worked example. A boat that moves at $4.0\ \text{m/s}$ in still water heads straight across a river flowing at $3.0\ \text{m/s}$. Relative to the ground the boat moves at $\sqrt{4.0^2+3.0^2}=5.0\ \text{m/s}$, angled downstream. If the river is $80\ \text{m}$ wide, the crossing still takes $t=\dfrac{80}{4.0}=20\ \text{s}$ – only the across-stream component crosses the river; the current just carries the boat $60\ \text{m}$ downstream.

探索

相对速度

将船横渡河流的速度与水流速度相加,即可得到其相对于河岸的速度。

词汇 训练
English 中文 拼音
reference frame/ˈrefrəns freɪm/ 参考系 cān kǎo xì
vector addition 矢量相加 shǐ liàng xiāng jiā
relative motion/ˈrelətɪv ˈməʊʃn/ 相对运动 xiāng duì yùn dòng
1.5

二维或三维运动

教学大纲

学习目标 1.5.A: 描述在二维或三维空间中运动的物体的运动情况。

  • 1.5.A.1 如果将运动分解为各个分量,则可以使用一维运动学关系来分析二维或三维空间中的运动。
  • 1.5.A.2 速度和加速度可能在每个维度上各不相同,且可能是非均匀的。
  • 1.5.A.3 一个维度上的运动变化不会引起垂直方向(正交维度)上运动的变化。
  • 1.5.A.4 抛体运动是二维运动的一种特殊情况,其在一个维度上的加速度为零,而在第二个维度上具有恒定且非零的加速度。

边界说明:AP Physics C: Mechanics(力学)仅要求学生定量分析物体在二维空间中的运动。AP Physics C: Electricity and Magnetism(电与磁)要求学生还能定性描述粒子在三维空间中的运动。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

In two or three dimensions, position is a vector $\vec{r}(t)=\langle x(t),y(t),z(t)\rangle$, and velocity and acceleration are its successive derivatives – each component handled independently 独立地.

Worked example. $\vec{r}(t)=\big(2t^2\big)\hat{i}+\big(4t-t^3\big)\hat{j}$ (metres). Differentiating each component: $\vec{v}=4t\,\hat{i}+(4-3t^2)\,\hat{j}$ and $\vec{a}=4\,\hat{i}-6t\,\hat{j}$. At $t=1\ \text{s}$: $\vec{v}=4\hat{i}+1\hat{j}$, so the speed is $\sqrt{17}\approx4.1\ \text{m/s}$ – no new physics, just one derivative per component.

A projectile launched at an angle: the horizontal and vertical motions are independent
A projectile launched at an angle: the horizontal and vertical motions are independent

For ideal projectile motion 抛体运动 under uniform gravity with air resistance neglected, horizontal and vertical motions are independent, linked only by time $t$: horizontally $a_x=0$ (constant velocity), vertically $a_y=-g$. The path is a parabola 抛物线. This component method extends to any two-dimensional motion where the accelerations along each axis are known.

Worked example. A ball is launched at $20\ \text{m/s}$, $30^{\circ}$ above the horizontal ($g=9.8\ \text{m/s}^2$). The components are $v_{0x}=20\cos30^{\circ}=17.3\ \text{m/s}$ and $v_{0y}=20\sin30^{\circ}=10\ \text{m/s}$. The vertical motion sets the time: total flight $=\dfrac{2v_{0y}}{g}=\dfrac{20}{9.8}=2.0\ \text{s}$, maximum height $=\dfrac{v_{0y}^2}{2g}=5.1\ \text{m}$, and range $=v_{0x}\times2.0=35\ \text{m}$.

A projectile launched at an angle: velocity components, maximum height, and range
A projectile launched at an angle: velocity components, maximum height, and range
探索

探索抛体运动

发射抛射体,然后改变角度和速度。水平运动保持匀速,而重力仅向下作用——两者共同描绘出一条抛物线。找到给出最大射程的角度(它在$45^\circ$附近达到峰值),并尝试在月球上做实验。

词汇 训练
English 中文 拼音
independently 独立地 dú lì dì
projectile motion/prəˈdʒektaɪl ˈməʊʃn/ 抛体运动 pāo tǐ yùn dòng
parabola/pəˈræbələ/ 抛物线 pāo wù xiàn
1.5

考试技巧

English
  • Resolve every vector into components before adding — never add magnitudes at an angle directly.
  • On Physics C you are expected to use calculus: velocity is $\vec v=\tfrac{d\vec r}{dt}$ and acceleration $\vec a=\tfrac{d\vec v}{dt}$; reverse with integration.
  • Carry and check units and treat direction with signs (choose a positive axis 坐标轴 and stick to it).
  • Use the dot product 点积 for work-type quantities and the cross product 叉积 for torque 力矩 and angular momentum 角动量.
  • Sketch the vectors — a diagram catches sign and direction errors the algebra hides.

Common mistakes

  • Dropping the constant of integration. $v(t) = \int a\,dt + v_0$ and $x(t) = \int v\,dt + x_0$: the initial conditions belong in the answer.
  • Finding average velocity from total distance. Average velocity is displacement over time; distance gives average speed.
  • Saying a projectile has zero velocity at the top. Only $v_y$ is zero; $v_x$ is unchanged throughout.
  • Using the constant-acceleration equations when $a$ depends on time. Differentiate or integrate instead.
  • Adding relative velocities as numbers. $\vec v_{A/G} = \vec v_{A/B} + \vec v_{B/G}$ is a vector sum; draw the triangle.
词汇 训练
English 中文 拼音
axis/ˈæksɪs/ 坐标轴 zuò biāo zhóu
dot product/dɒt ˈprɒdʌkt/ 点积 diǎn jī
cross product/krɒs ˈprɒdʌkt/ 叉积 chā jī
torque/tɔːk/ 力矩 lì jǔ
angular momentum/ˈæŋɡjʊlə məʊˈmentəm/ 角动量 jiǎo dòng liàng

该知识点的互动课程

逐步完成,配合即时检查练习。

历年真题

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