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在理论力学中寻找新思维

发布时间: 2022-03-06 08:49:16 浏览:

大学2015年开始进行课程教学模式改革,理论力学为首批试点课程之一,改革中进行思维转换教学即采用多种方法解决一个问题。如在求解运动学问题时,解题方法有:(1)從全过程入手:通过分析机构中的点在坐标系中的位置关系,在整个机构中几何关系等,确定点的运动方程再通过微分运算进行求解。(2)从某一瞬时入手:通过分析点在某一瞬时速度、加速度的大小、方向,运用合成定理,基点法等方法进行求解。实际对同一问题可以运用以上两种方法共同求解。下面通过例题进一步讲解。本例题为由哈尔滨工业大学理论力学教研室主编的《理论力学》I(第七版)中点的合成运动例7-4,书中采用方法2)。在授课过程中,有些同学擅长采用数学方法即方法1)进行计算,且结果一致。

例:如下图所示:曲柄OA一端A与滑块用铰链连接,当曲柄OA以均匀角速度ω绕固定轴O转动时,滑块在摇杆O1B滑动,并带动摇杆O1B绕固定轴O1摆动,设曲柄长OA=r,两轴间距离OO1=l,求当曲柄在水平位置时摇杆角速度ω。

解:如图所示,OA′⊥OO1*∠ADA′=θ=ωt*∠AOO1=ψ设AO1=lt,Lt和ψ都是关于时间的连续函数。

由几何关系得:

OA·sin∠AOA′+OO1=AO1·cos∠AO1OOA·cos∠AOA′+OO1=AO1·sin∠AO1O

即:

r·sinωt+l=lt·cosψr·cosωt+l=lt·sinψ

对t求导,有:

dltdt=ωrcos(ωt+ψ)dψdt=ωrdtsin(ωt+ψ)①②

方程①②两边同时对t求导,有:

ddtdltdt=-ωrcos(ωt+ψ)·(ω+dψdt)ddtdψdt=ωrlt·lt·dltdtsin(ωt+ψ)-ωrlt·cos(ωt+ψ)·(ω+dψdt)

代入方程①②并整理得:

ddtdltdt=ωr·ωrltsin2(ωt+ψ)-ω2rsin(ωt+ψ)③ddtdψdt=ωr·ωrlt·ltsin(2ωt+2ψ)-ω·ωrltcos(ωt+ψ)④

曲柄OA在水平位置时,θ=ωr=0,cosψ=ll2+r2,sinψ=rl2+r2代入方程①②③④中,得:

Vr=dltdt=ωrll2+r2 ar=ddtdltdt=w2r2l2(l2+r2)32

α1=ddtdψdt=w2rl(r2-l2)(r2+l2)2 ω1=dψdt=wr2l2+r2

本计算结果与书中按点的合成运动算得的结果一致,表明采用方法1)计算结果无误。可以看到解析法求解运动问题的思路是由全过程到某一瞬时;而点的合成运动等方法的思路是直接从某一瞬时入手进行求解,如果所选的瞬时具有一般性,则可以由瞬时求得全过程。

参考文献:

[1]杨志安,辛静,李高峰.力学教学中向量的导入与应用[J].唐山学院学报,2010(06).

[2]杨志安,李高峰,贾培强.基于数学归纳法的“工程力学”教学实践[J].唐山学院学报,2010(03).

[3]董萍,陶蕊.理论力学教学中的几点思考[J].合肥师范学院学报,2010(03).

[4]张速.科学方法论在理论力学教学中的综合应用[J].合肥师范学院学报,2010(03).

[5]王东云,杨光弟,黄锑儒.大学物理教学的学科渗透[J].高师理科学刊,2009(04).

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