理论力学教案

教案学年学期：2016-2017学年第二学期课程名称：理论力学专业：车辆工程授课班级：2016年级车辆工程专业院部：机电工程专业授课教师（职称）：李林（副教授）教研室主任（签字）：日期：《理论力学》教案课程性质必修课程编号013504总学时/学分56/3.5学时分配理论56授课时间2017.2-2017．6授课班级2016级车辆工程实践0本课程教学目的、要求理论力学课程教学的目的是使学生掌握分析机构受力，质点、质点系和刚体机械运动的基本规律及其研究方法，初步学会运用这种规律和方法去分析和解决工程实际问题，并为学习后继课程及有关的科学技术打好必要的基础。课程教学的基本要求（1）在保证该课程教学的科学性和系统性的前提下，着重突出理论力学课程的推理严密、体系完整、理论性较强的特点。有关本课程的基本概念、基本定律、基本定理、基本公式及其推导和应用，作为教学的重点内容，要求学生牢固掌握并熟练运用。（2）坚持理论密切联系实际。讲授时，尽可能将所学的理论与日常生活中的一些典型事例结合，旨在提高学生的学习兴趣和学习的积极性，通过本课程的学习，使学生受到理论力学研究方法的初步训练，培养学生严密逻辑推理的能力、抽象思维的能力、从一般到特殊的分析方法及运用高等数学方法解决力学问题的能力，并较好理解数学与物理的密切关系。最终使学生能运用已学过的基本定律，基本定理会解答习题。（3）教学方法宜采用启发式、讨论式。应培养学生的自学能力、独立思考的能力、敢于创新的能力以及独立解决问题的能力。学生应在实践中完善认识、培养能力，提倡多看参考书、多思考、兼收并蓄，多动手推演，多总结归纳。（4）坚持课后练习是教好、学好本门课程的关键。在整个教学过程中，将根据正常教学进度布置一定量的作业，要求学生按时完成。理论力学可做习题很多，难题也很多，要提倡多思考，不提倡做太多太难的习题。本课程教学重点、难点及拟解决方法教学重点、教学难点分析及解决方法：静力学部分：一、平面汇交力系与平面力偶系重点：受力分析。难点：平衡关系的建立。解题指导：解析法：（1）仔细审题。这就是要弄清题意，明确已知量和未知量，选取适当的分离体，使要求的未知量都能被表示在分离体上。（2）画受力图。利用所给出的各种支座和连接的力学模型，画出正确的受力图。特别要善于应用二力杆和三力平衡定理的概念，以减少未知力的个数。（3）选取坐标系。选取的原则是尽量使一个平衡方程中，只包含一个未知数。通常使一坐标轴与某一未知力的作用线垂直。（4）列平衡方程。（5）解平衡方程。求得的力的绝对值表示力的大小，力的正负号表示在受力图中所假设的力的指向是否与实际的指向一致。几何法：（1）仔细审题。（2）画受力图。（此两步骤与解析法相同，所不同的是要事先假定约束反力的指向）。（3）选择适当的比例尺，根据受力图，作封闭的力的三角形或封闭的力的多边形。作图要先从已知力开始。（4）用比例尺和量角器从封闭的力的三角形或多边形中确定。二、平面任意力系（重要）重点：力的平移定理，平面任意力系的简化，平面任意力系的平衡方程。难点：求解平面静定桁架的内力：（1）节点法。逐个地取节点为研究对象，应用平面汇交力系的平衡方程，求出各杆的内力。（2）截面法。将待求内力的杆截断，把桁架分割成两部分，取其中一部分为研究对象，应用平面任意力系的平衡方程，求出各杆的内力。重点难点分析重点：选取平衡对象，建立平衡方程。难点：刚体系统的平衡问题。解题指导，解题步骤：1．对于单个刚体的平衡问题，其解题步骤为：（1）取分离体。根据问题的要求，选择合适的平衡对象，并取出为隔离体。（2）画受力图。根据平衡对象与周围物体的联系，确定约束的性质，并根据约束性质分析约束力，应用作用与反作用定律，分析隔离体所受力的可能方向和作用线，画出隔离体的受力图。（3）列平衡方程求解。建立已知力与未知力之间的关系，求解未知力。2．对于刚体系统平衡问题求解刚体系统平衡问题的基本方法与分析单个刚体平衡问题的方法大体相似，但也有一些差异。根据刚体系统平衡问题的特点，求解刚体系统平衡问题，一般可按下列步骤进行：（1）判断刚体系统的静定与超静定性质，只有肯定了所给的刚体系统是静定的，才着手求解。对于超静定问题，需要平衡方程联合相应数量的补充方程才能求解。（2）先考虑整体平衡，求得某些未知的约束力，然后根据要求的未知量，选择合适的局部或单个刚体作为研究对象，根据约束性质及作用力与反作用力定律，区分施力体与受力体，区分内力与外力，画出研究对象的受力图。（3）分别考虑不同研究对象的平衡，建立平衡方程，求解未知量。方法与技巧1．单个刚体求解过程中要注意以下问题（1）对单个物体的平面任意力系问题，其解步骤与平面汇交力系问题的解题步骤基本相同，不同之处是平面任意力系的独立平衡方程有三个，可解出三个未知数。（2）要根据实际情况，选择合适的坐标轴，尽量使一个平衡方程中出现一个未知力。（3）建立平衡方程时，要考虑力系中所有的力，任何一个力都不能遗漏。（4）要正确确定每一个力在坐标轴上投影的大小和正负号，特别要注意正负号。（5）当未知约束力的作用线确定，而方向不能确定时（一般情况下均如此），可以先假定方向（一般假定约束力的正方向与坐标轴正向一致）。然后，根据所得结果的正负号，判断未知约束力的实际方向：若所得结果为正，则实际方向与所设方向一致；若为负，则实际约束力的方程与所设方向相反。（6）当未知约束力的作用线不能确定时，可先假设未知约束力在两个坐标上投影的方向（一般设为正向）。然后建立平衡方程，这时，约束力的投影方向为已知，投影大小为未知。由平衡方程求得约束力投影的大小，即可求得相应的约束力。2．刚体系统求解求解过程中需要注意的几个问题（1）当有几个平衡对象可供选择时，应考虑选择哪能一个最合适，或者先选择哪能一个，然后再选择哪一个。选择的原则是，能够利用平衡条件确定某些未知力（不一定确定全部未知力）的部分应优先考虑。（2）当刚体间相互作用力的方向无法确定时，可以称假设其方向。必须注意的是，当所求结果为负时，表示施力体作用在所研究的刚体上的方向与实际方向相反。（3）画各个构件的受力图时，要特别注意作用与反作用定律、二力平衡及三力平衡定理等概念和原理的应用。虽然所有构件的受力图对建立平衡方程及求解所感兴趣的未知数不一定都有用，但是同时画出所有构件的受力图，会减少受力分析的错误。（4）建立平衡时，应尽量使一个平衡方程中只出现一个未知力，以避免求解联立方程。（5）解方程时，若求得的约束反力为负值，说明在受力图中假设的约束反力方向与实际方向相反。但若用它代入另一方程中求解其他未知数时，应连同其负号一并代入。（6）可以利用解题过程中尚未被选为研究对象的刚体，对其作受力分析，建立平衡方程，以验证所得结果的正确性。（7）刚体系的平衡问题是静力学的重点内容，多数情况下，是各种考试必考的内容。3．受力分析时应注意的几个问题（1）怎样根据问题的性质，选取合适的研究对象。所谓“合适”：一是指在研究对象上既有未知力又有已知力；二是指所选择的研究对象上受力比较简单。（2）一定要根据约束性质确定研究对象上所受力约束力，力争做到，在研究对象上每画一个力都有充分的依据，切忌主观随意以及毫无根据的猜测。4．刚体系统的“内力”和“外力”（1）刚体系统或其分系统中的各个刚体之间的相互作用力，对于系统而言，都是“内力”。（2）内力总是成对出现的，它们两两大小相等，方向相反，而且作用在同一条直线上。（3）当考虑刚体系统的平衡问题时，要特别注意那种对于系统是内力，对局部或单个刚体却是外力的力。这种力很容易被漏掉。5．刚体系统的“整体平衡”与“局部平衡”当刚体系统处于平衡状态时，其中的每一个局部以及每个刚体也必然处于平衡状态。反之亦然。因此，求解刚全系统的平衡问题时，作用于系统及每个局部上的力系，既满足整体的平衡要求，也满足局部的平衡要求。（此为刚化公理应用之结果）三、摩擦重点：1.滑动摩擦力和临界滑动摩擦力，滑动摩擦定律。2.考虑滑动摩擦时物体的平衡问题的求解方法。难点：正确区分不同类型的含摩擦平衡问题；正确判断摩擦力的方向及正确应用库仑摩擦定律。解决方法：考虑摩擦的平衡问题；运动状态不定时的有摩擦平衡问题；摩擦角、自锁。运动学部分：一、点的运动学重点难点分析1．重点：点的运动的基本概念（速度与加速度，切向加速度和法向加速度的物理意义等）；选择坐标系，建立运动方程，求速度、加速度。求点的运动轨迹。2．难点：运动方程的建立。解题指导：1．第一类问题（求导）：建立运动方程然后求导。若已知点的运动轨迹，且方程易于写出时，一般用自然法，否则用直角坐标法。根据点的运动性质选取相应的坐标系，对于自然法要确定坐标原点和正向。不管用哪种方法，注意将点置于一般位置，而不能置于特殊位置。根据运动条件和几何关系把点的坐标表示为与时间有关的几何参数的函数，即可得点的运动方程。2．第二类问题（积分）：由加速度和初始条件求运动方程，即积分并确定积分常数。二、刚体的简单运动重点难点分析：1．重点：刚体平移、定轴转动基本概念；刚体运动方程，刚体上任一点的速度和加速度。2．难点：曲线平移。解题指导：首先正确判断刚体运动的性质。其后的分析与点的运动分析一样分两类问题进行。建立刚体运动方程时，应将刚体置于一般位置。三、点的合成运动（重要）重点难点分析：1．重点：动点和动系的选择；三种运动的分析。速度合成与加速度合成定理的运用。2．难点：动点和动系的选择。解题指导：1．动点的选择、动系的确定和三种运动的分析常常是同时进行的，不可能按顺序完全分开。2．常见的运动学问题中动点和动系的选择大致可分以下五类：（1）两个（或多个）不分大小的物体独立运动，（如飞机、海上的船舶等）对该类问题，可根据情况任选一个物体为动点，而将动系建立在另一个物体上。由于不考虑物体的大小，因此动系（刚体）与物体（点）只在一个点上连接，可视为铰接，建立的是平移动坐标系。（2）一个小物体（点）相对一个大物体（刚体）运动，此时选小物体为动点，动系建立在大物体上。（3）两个物体通过接触而产生运动关系。其中一个物体的接触只发生在一个点上，而另一个物体的接触只发生在一条线上。选动点为前一物体的接触点，动系则建立在后一物体上。此时，那条线就是动点的相对运动轨迹。（4）两个物体或多个物体通过接触或约束而产生运动关系。其中两个物体的接触也有上述点、线关系，但提供线的物体运动状态不简单，而其上有运动状态已知或明确的点。此时，将此点选为动点，动系建立在接触处的物体（如套筒）上。（5）两个物体通过接触而产生运动关系。两个物体各为接触提供了一条线。对此类问题通常有两种分析方法：A如果一个物体的接触线是圆弧，则选其圆心为动点，动系建立在另一物体上；B假想有一个忽略大小的环套在两条接触线上，将其设为动点，分别将动系建立在两个物体上，共同研究小环的运动。此时两条线分别是小环在两个动系的相对运动轨迹。3．选择动系时通常希望相对运动简单明确，但不是所有问题都能做到这一点。（如第一类问题多数不能明确相对运动轨迹。此时可将相对速度分解为两个垂直分量来计算。）4．速度和加速度合成定理是矢量式，各可以建立两个投影方程，如果未知数过多将无法全部求得。可以选择适当的投影轴，使得不需计算的未知短量垂直于投影轴，减少方程中的未知数。5．速度和加速度合成定理表示的是合成关系，不是平衡方程。在写投影方程时，应先写绝对速度（加速度）的投影和等号，再写等号右边的各个加速度的投影。要注意投影的正负号。6．有些问题最后关心的是加速度，但在计算时首先要分析速度，在不是很困难的情况下最好将动点的各个速度都计算出来，以备加速度分析使用。7．要注意不能遗漏关于哥氏加速度的分析，正确判断其方向、计算其大小。四、刚体的平面运动（重要）重点难点分析：重点：平面运动的分解；基点与动点的选择；速度瞬心的确定；投影方程的建立。难点：运动学综合问题的求解。解题指导：1．刚体的平面运动可以视为跟随基点的平移与绕基点转动的合成，也可以有其他的分解方法。2．基点的选择是任意的，一般选运动状态已知的点。基点不同，随基点