raymond(a.(serway(...

49
Raymond A. Serway Chris Vuille Chapter Three Vectors and TwoDimensional Mo=on

Upload: lythuan

Post on 09-Jun-2018

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Raymond  A.  Serway  Chris  Vuille  

Chapter  Three  Vectors  and    

Two-­‐Dimensional  Mo=on  

Vectors  and  Mo=on  

•  In  one-­‐dimensional  mo=on,  vectors  were  used  to  a  limited  extent  

•  For  more  complex  mo=on,  manipula=ng  vectors  will  be  more  important  

Introduc=on  

Vector  vs.  Scalar  Review  

•  All  physical  quan==es  encountered  in  this  text  will  be  either  a  scalar  or  a  vector  

•  A  vector  quan=ty  has  both  magnitude  (size)  and  direc=on  

•  A  scalar  is  completely  specified  by  only  a  magnitude  (size)  

Sec=on  3.1  

Vector  Nota=on  

•  When  handwriNen,  use  an  arrow:  •  When  printed,  will  be  in  bold  print  with  an  arrow:    

•  When  dealing  with  just  the  magnitude  of  a  vector  in  print,  an  italic  leNer  will  be  used:  A  –  Italics  will  also  be  used  to  represent  scalars  

Sec=on  3.1  

Proper=es  of  Vectors  

•  Equality  of  Two  Vectors  –  Two  vectors  are  equal  if  they  have  the  same  magnitude  and  the  same  direc=on  

•  Movement  of  vectors  in  a  diagram  –  Any  vector  can  be  moved  parallel  to  itself  without  being  affected  

Sec=on  3.1  

Adding  Vectors  

•  When  adding  vectors,  their  direc=ons  must  be  taken  into  account  

•  Units  must  be  the  same    •  Geometric  Methods  – Use  scale  drawings  

•  Algebraic  Methods  •  The  resultant  vector  (sum)  is  denoted  as    

Sec=on  3.1  

Adding  Vectors  Geometrically  (Triangle  or  Polygon  Method)  

•  Choose  a  scale    •  Draw  the  first  vector  with  the  appropriate  length  and  in  the  direc=on  specified,  with  respect  to  a  coordinate  system  

•  Draw  the  next  vector  using  the  same  scale  with  the  appropriate  length  and  in  the  direc=on  specified,  with  respect  to  a  coordinate  system  whose  origin  is  the  end  of  the  first  vector  and  parallel  to  the  ordinate  system  used  for  the  first  vector  

Sec=on  3.1  

Graphically  Adding  Vectors,  cont.  •  Con=nue  drawing  the  

vectors  “=p-­‐to-­‐tail”  •  The  resultant  is  drawn  from  

the  origin  of  the  first  vector  to  the  end  of  the  last  vector  

•  Measure  the  length  of  the  resultant  and  its  angle  –  Use  the  scale  factor  to  

convert  length  to  actual  magnitude  

•  This  method  is  called  the  triangle  method  

Sec=on  3.1  

Notes  about  Vector  Addi=on  

•  Vectors  obey  the  Commuta/ve  Law  of  Addi/on  –  The  order  in  which  the  vectors  are  added  doesn’t  affect  the  result  

–     

Sec=on  3.1  

Graphically  Adding  Vectors,  cont.  •  When  you  have  many  

vectors,  just  keep  repea=ng  the  “=p-­‐to-­‐tail”  process  un=l  all  are  included  

•  The  resultant  is  s=ll  drawn  from  the  origin  of  the  first  vector  to  the  end  of  the  last  vector  

Sec=on  3.1  

More  Proper=es  of  Vectors  

•  Nega=ve  Vectors  – The  nega=ve  of  the  vector  is  defined  as  the  vector  that  gives  zero  when  added  to  the  original  vector  

– Two  vectors  are  nega/ve  if  they  have  the  same  magnitude  but  are  180°  apart  (opposite  direc=ons)  

–     

Sec=on  3.1  

Vector  Subtrac=on  

•  Special  case  of  vector  addi=on  –  Add  the  nega=ve  of  the  subtracted  vector  

•       •  Con=nue  with  standard  vector  addi=on  procedure  

Sec=on  3.1  

Mul=plying  or  Dividing  a  Vector  by  a  Scalar  

•  The  result  of  the  mul=plica=on  or  division  is  a  vector  •  The  magnitude  of  the  vector  is  mul=plied  or  divided  by  the  scalar  

•  If  the  scalar  is  posi=ve,  the  direc=on  of  the  result  is  the  same  as  of  the  original  vector  

•  If  the  scalar  is  nega=ve,  the  direc=on  of  the  result  is  opposite  that  of  the  original  vector  

Sec=on  3.1  

Components  of  a  Vector  

•  It  is  useful  to  use  rectangular  components  to  add  vectors  –  These  are  the  projec=ons  of  the  vector  along  the  x-­‐  and  y-­‐axes  

Sec=on  3.2  

Components  of  a  Vector,  cont.  

•  The  x-­‐component  of  a  vector  is  the  projec=on  along  the  x-­‐axis  –     

•  The  y-­‐component  of  a  vector  is  the  projec=on  along  the  y-­‐axis  –     

•  Then,    

Sec=on  3.2  

More  About  Components  of  a  Vector  

•  The  previous  equa=ons  are  valid  only  if  Θ  is  measured  with  respect  to  the  x-­‐axis  

•  The  components  can  be  posi=ve  or  nega=ve  and  will  have  the  same  units  as  the  original  vector  

Sec=on  3.2  

More  About  Components,  cont.  

•  The  components  are  the  legs  of  the  right  triangle  whose  hypotenuse  is  

– May  s=ll  have  to  find  θ  with  respect  to  the  posi=ve  x-­‐axis  –  The  value  will  be  correct  only  if  the  angle  lies  in  the  first  or  fourth  quadrant  

–  In  the  second  or  third  quadrant,  add  180°  

Sec=on  3.2  

Other  Coordinate  Systems  •  It  may  be  convenient  to  use  

a  coordinate  system  other  than  horizontal  and  ver=cal  

•  Choose  axes  that  are  perpendicular  to  each  other  

•  Adjust  the  components  accordingly  

Sec=on  3.2  

Adding  Vectors  Algebraically  

•  Choose  a  coordinate  system  and  sketch  the  vectors  

•  Find  the  x-­‐  and  y-­‐components  of  all  the  vectors  

•  Add  all  the  x-­‐components  – This  gives  Rx:  

Sec=on  3.2  

Adding  Vectors  Algebraically,  cont.  

•  Add  all  the  y-­‐components  – This  gives  Ry:    

•  Use  the  Pythagorean  Theorem  to  find  the  magnitude  of  the  resultant:  

•  Use  the  inverse  tangent  func=on  to  find  the  direc=on  of  R:  

Sec=on  3.2  

Mo=on  in  Two  Dimensions  

•  Using  +  or  –  signs  is  not  always  sufficient  to  fully  describe  mo=on  in  more  than  one  dimension  – Vectors  can  be  used  to  more  fully  describe  mo=on  

•  S=ll  interested  in  displacement,  velocity,  and  accelera=on  

 

Sec=on  3.3  

Displacement  •  The  posi=on  of  an  object  is  

described  by  its  posi=on  vector,    

•  The  displacement  of  the  object  is  defined  as  the  change  in  its  posi8on  –     –  SI  unit:  meter  (m)  

Sec=on  3.3  

Velocity  

•  The  average  velocity  is  the  ra=o  of  the  displacement  to  the  =me  interval  for  the  displacement  

•  The  instantaneous  velocity  is  the  limit  of  the  average  velocity  as  Δt  approaches  zero  –  The  direc=on  of  the  instantaneous  velocity  is  along  a  line  that  is  tangent  to  the  path  of  the  par=cle  and  in  the  direc=on  of  mo=on  

•  SI  unit:  meter  per  second  (m/s)  

Sec=on  3.3  

Accelera=on  

•  The  average  accelera=on  is  defined  as  the  rate  at  which  the  velocity  changes  

•  The  instantaneous  accelera=on  is  the  limit  of  the  average  accelera=on  as  Δt  approaches  zero  

•  SI  unit:  meter  per  second  squared  (m/s²)  

Sec=on  3.3  

Unit  Summary  (SI)  

•  Displacement  – m  

•  Average  velocity  and  instantaneous  velocity  – m/s  

•  Average  accelera=on  and  instantaneous  accelera=on  – m/s2  

Sec=on  3.3  

Ways  an  Object  Might  Accelerate  

•  The  magnitude  of  the  velocity  (the  speed)  may  change  with  =me  

•  The  direc=on  of  the  velocity  may  change  with  =me  – Even  though  the  magnitude  is  constant  

•  Both  the  magnitude  and  the  direc=on  may  change  with  =me  

Projec=le  Mo=on  

•  An  object  may  move  in  both  the  x  and  y  direc=ons  simultaneously  –  It  moves  in  two  dimensions  

•  The  form  of  two  dimensional  mo=on  we  will  deal  with  is  an  important  special  case  called  projec/le  mo/on  

Sec=on  3.4  

Assump=ons  of  Projec=le  Mo=on  

•  We  may  ignore  air  fric=on  •  We  may  ignore  the  rota=on  of  the  earth  •  With  these  assump=ons,  an  object  in  projec=le  mo=on  will  follow  a  parabolic  path  

Sec=on  3.4  

Rules  of  Projec=le  Mo=on  

•  The  x-­‐  and  y-­‐direc=ons  of  mo=on  are  completely  independent  of  each  other  

•  The  x-­‐direc=on  is  uniform  mo=on  –  ax  =  0  

•  The  y-­‐direc=on  is  free  fall  –  ay  =  -­‐g  

•  The  ini=al  velocity  can  be  broken  down  into  its  x-­‐  and  y-­‐components  –     

Sec=on  3.4  

Projec=le  Mo=on  

Sec=on  3.4  

Projec=le  Mo=on  at  Various  Ini=al  Angles  

•  Complementary  values  of  the  ini=al  angle  result  in  the  same  range  –  The  heights  will  be  different  

•  The  maximum  range  occurs  at  a  projec=on  angle  of  45o  

Sec=on  3.4  

Some  Details  About  the  Rules  

•  x-­‐direc=on    – ax  =  0  –     – x  =  voxt  

•  This  is  the  only  opera=ve  equa=on  in  the  x-­‐direc=on  since  there  is  uniform  velocity  in  that  direc=on  

Sec=on  3.4  

More  Details  About  the  Rules  

•  y-­‐direc=on  –     – Free  fall  problem  

•  a  =  -­‐g  – Take  the  posi=ve  direc=on  as  upward  – Uniformly  accelerated  mo=on,  so  the  mo=on  equa=ons  all  hold  

Sec=on  3.4  

Velocity  of  the  Projec=le  

•  The  velocity  of  the  projec=le  at  any  point  of  its  mo=on  is  the  vector  sum  of  its  x  and  y  components  at  that  point  

– Remember  to  be  careful  about  the  angle’s  quadrant  

Sec=on  3.4  

Projec=le  Mo=on  Summary  

•  Provided  air  resistance  is  negligible,  the  horizontal  component  of  the  velocity  remains  constant  – Since  ax  =  0  

•  The  ver=cal  component  of  the  accelera=on  is  equal  to  the  free  fall  accelera=on  –g  – The  accelera=on  in  the  y-­‐direc=on  is  not  zero  at  the  top  of  the  projec=le’s  trajectory  

Sec=on  3.4  

Projec=le  Mo=on  Summary,  cont  

•  The  ver=cal  component  of  the  velocity  vy  and  the  displacement  in  the  y-­‐direc=on  are  iden=cal  to  those  of  a  freely  falling  body  

•  Projec=le  mo=on  can  be  described  as  a  superposi=on  of  two  independent  mo=ons  in  the  x-­‐  and  y-­‐direc=ons    

Sec=on  3.4  

Problem-­‐Solving  Strategy  

•  Select  a  coordinate  system  and  sketch  the  path  of  the  projec=le  –  Include  ini=al  and  final  posi=ons,  veloci=es,  and  accelera=ons  

•  Resolve  the  ini=al  velocity  into  x-­‐  and  y-­‐components  

•  Treat  the  horizontal  and  ver=cal  mo=ons  independently  

Sec=on  3.4  

Problem-­‐Solving  Strategy,  cont  

•  Follow  the  techniques  for  solving  problems  with  constant  velocity  to  analyze  the  horizontal  mo=on  of  the  projec=le  

•  Follow  the  techniques  for  solving  problems  with  constant  accelera=on  to  analyze  the  ver=cal  mo=on  of  the  projec=le  

Sec=on  3.4  

Some  Varia=ons  of  Projec=le  Mo=on  

•  An  object  may  be  fired  horizontally  

•  The  ini=al  velocity  is  all  in  the  x-­‐direc=on  –  vo  =  vx  and  vy  =  0  

•  All  the  general  rules  of  projec=le  mo=on  apply  

Sec=on  3.4  

Non-­‐Symmetrical  Projec=le  Mo=on  •  Follow  the  general  rules  for  

projec=le  mo=on  •  Break  the  y-­‐direc=on  into  

parts  –  up  and  down  –  symmetrical  back  to  ini=al  

height  and  then  the  rest  of  the  height  

Sec=on  3.4  

Special  Equa=ons  

•  The  mo=on  equa=ons  can  be  combined  algebraically  and  solved  for  the  range  and  maximum  height  

Sec=on  3.4  

Rela=ve  Velocity  

•  Rela=ve  velocity  is  about  rela=ng  the  measurements  of  two  different  observers  

•  It  may  be  useful  to  use  a  moving  frame  of  reference  instead  of  a  sta=onary  one  

•  It  is  important  to  specify  the  frame  of  reference,  since  the  mo=on  may  be  different  in  different  frames  of  reference  

•  There  are  no  specific  equa=ons  to  learn  to  solve  rela=ve  velocity  problems  

Sec=on  3.5  

Rela=ve  Velocity  Nota=on  

•  The  paNern  of  subscripts  can  be  useful  in  solving  rela=ve  velocity  problems  

•  Assume  the  following  nota=on:  – E  is  an  observer,  sta=onary  with  respect  to  the  earth  

– A  and  B  are  two  moving  cars  

Sec=on  3.5  

Rela=ve  Posi=on  Equa=ons  

•         is  the  posi=on  of  car  A  as  measured  by  E    •         is  the  posi=on  of  car  B  as  measured  by  E    •           is  the  posi=on  of  car  A  as  measured  by  car  B  

•     

Sec=on  3.5  

Rela=ve  Posi=on  

•  The  posi=on  of  car  A  rela=ve  to  car  B  is  given  by  the  vector  subtrac=on  equa=on  

Sec=on  3.5  

Rela=ve  Velocity  Equa=ons  

•  The  rate  of  change  of  the  displacements  gives  the  rela=onship  for  the  veloci=es  

   

Sec=on  3.5  

Problem-­‐Solving  Strategy:  Rela=ve  Velocity  

•  Label  all  the  objects  with  a  descrip=ve  leNer  •  Look  for  phrases  such  as  “velocity  of  A  rela=ve  to  B”    – Write  the  velocity  variables  with  appropriate  nota=on  

–  If  there  is  something  not  explicitly  noted  as  being  rela=ve  to  something  else,  it  is  probably  rela=ve  to  the  earth  

Sec=on  3.5  

Problem-­‐Solving  Strategy:  Rela=ve  Velocity,  cont  

•  Take  the  veloci=es  and  put  them  into  an  equa=on  – Keep  the  subscripts  in  an  order  analogous  to  the  standard  equa=on  

•  Solve  for  the  unknown(s)  

Sec=on  3.5  

Rela=ve  Velocity,  Example  

•  Need  veloci=es  –  Boat  rela=ve  to  river  –  River  rela=ve  to  the  Earth  

–  Boat  with  respect  to  the  Earth  (observer)  

•  Equa=on  –