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图 1-32
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rB,rA的三维分解是在S系中实现的,r′的三维分解实质上也是借S系实现的.
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既然以S系的三维空间方向为参考基准,质点A可唯一设定自己的三维延展方向,那么A就能建立自己的参考空间A和自己的参考系A.参考空间A中所有位置点相对质点A是静止的,它们都以质点A的速度vA在S系中运动.可见,参考系A与参考系S有1.5.1节所述的平动关联.因此,不妨称参考系A为“相对S系的点A平动参考系”,或按习惯称为“点A参考系”.(例如动力学中将要引入的质心参考系,就是这样的参考系.)质点B在点A参考系中的运动,与在S系中相对A的运动一致.
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开普勒第一定律称,行星绕太阳沿椭圆轨道运动.这可解释为在某一太空参考系S中,质点化的行星相对于质点化的太阳的运动是椭圆运动.也可解释成以太空参考系S为背景,建立太阳(质点)平动参考系S日(常称为太阳参考系),在S日系中行星的运动具有开普勒所述特征.顺便一提,以刚性化太阳实体为参考物建立的参考系与参考系S日是不同的,两者间有相对转动,对应的即是太阳自转.类似的实例,如在太阳平动参考系S日中,可讨论同步卫星(质点B)绕地球中心(质点A)的运动,周期为1天.同步卫星的这种运动也可等效地解释成,以S日系为背景建立地心平动参考系S地(常称为地心参考系),在S地系中同步卫星沿圆轨道运动,周期1天.以刚性化地球实体为参考物建立的参考系相对S地是转动的,对应的是地球自转.同步卫星在系中是不动的.在系中,若选取地面上某点作为原点建立坐标系,这样的常称为地面参考系.如果讨论的范围限于地面附近一块线度远小于地球半径的区域,在这一狭义的地面系中地面是平直的,重力加速度g可处理成常矢量,它的方向垂直地面朝下,大小为9.8m/s2.
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回到图1-32,直接在S系中讨论质点B相对于质点A的运动,显然更为简便.由r′=rB-rA,可得
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即B相对A的速度、加速度等于B在S系中的速度、加速度减去A在S系中的速度、加速度.移项后,可得与1.5.1节中给出的(1.36),(1.37),(1.38)式内涵相同的变换关系式:
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即质点B相对于S系的运动学量等于质点B相对于质点A的运动学量加上质点A相对S系的运动学量.这就是在任一参考系中两个质点的运动叠加性表述,其中的相加关联更显规范,处理有关问题时常被引用.
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例10 宽L的河流,流速与离岸距离成正比,河中央流速为v0,两岸处流速为零.小船相对水流以恒定的垂直速度vr从此岸驶向对岸,在距此岸L/4处突然掉头,以相对速度vr/2垂直于水流驶回此岸.以小船出发位置为原点,导出直角坐标系下小船运动轨迹,并计算小船返回此岸的位置与出发点之间的距离.
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解 在河岸参考系中设置直角坐标系如图1-33所示,O为小船出发点,x轴沿水流方向,y轴指向对岸.y到y+dy的一细束流水可建立自己的参考系,相对河岸沿x轴的平动速度为
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图 1-33
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在流水参考系中船的正向航行速度为
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小船相对河岸的速度便是
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通常不必借助流水参考系的引入来获得此式,而是简单地认为水流带动小船,使其获得相对河岸的x方向分速度u.由上式可得
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