极坐标系下的速度与加速度(含结论...

物理
极坐标系下的速度与加速度(含结论与推导过程)

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坍缩态的薇汾 更新于2026-7-18 08:51:02

${ (平面)极坐标系}$

(别误会,空间里的叫柱坐标系和球坐标系)

$\textbf{点坐标:}$ $P(r,\theta)$ $\quad $r$: 极径,$ $\theta: 极角$

基矢:

径向基矢: $\hat{r}: \text{沿位矢方向} \\$

角向基矢 $\hat{\theta}: \text{垂直 } \hat{r} \text{ 沿 } \theta \text{ 增大方向}$

$\textbf{注意:} $ $\hat{r}, \hat{\theta}$ 会随时间改变

$\textbf{运动方程:} $

$$\vec{r} = \vec{r}(t) \Rightarrow \begin{cases} r = r(t) \\ \theta = \theta(t) \end{cases}$$

$\textbf{位矢:}$ $\vec{r} = r\hat{r}$

$\textbf{速度:}$ $\vec{v} = v_r\hat{r} + v_\theta\hat{\theta}$

$$v_r = \dfrac{dr}{dt} = \dot{r} $$

 $$v_\theta = r\dfrac{d\theta}{dt} = r\dot{\theta}$$

$\textbf{加速度:}$ $\vec{a} = a_r\hat{r} + a_\theta\hat{\theta}$

$$a_r = \dfrac{d^2r}{dt^2} - r\left(\dfrac{d\theta}{dt}\right)^2 =\ddot{r} - r\dot{\theta}^2 $$

$$a_\theta = 2\dfrac{dr}{dt}\cdot\dfrac{d\theta}{dt} + r\dfrac{d^2\theta}{dt^2} = 2\dot{r}\dot{\theta} + r\ddot{\theta}$$


$*{推导:}$

$\textbf{① 速度推导:}$

$$\vec{v} = \frac{d\vec{r}}{dt} = \frac{d}{dt}(r\hat{r}) = \frac{dr}{dt}\hat{r} + r\frac{d\hat{r}}{dt}$$ 

$d\hat{r}$: $\begin{cases} \text{大小:} d\theta \\ \text{方向:沿 } \hat{\theta} \text{ 方向} \end{cases}$

$$☆ \Rightarrow d\hat{r} = d\theta\hat{\theta} \longrightarrow \text{\textbf{基矢变化规律}}$$ 

$$\vec{v} = \underbrace{\frac{dr}{dt}\hat{r}}_{\text{径向长度变化}} + \underbrace{r\frac{d\theta}{dt}\hat{\theta}}_{\text{角度变化}}$$ 

$\textbf{② 加速度推导:}$

$$(uvw)' = (uv)'w + uvw' = u'vw + uv'w + uvw'$$ 

$$\vec{a} = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{d}{dt}\left(\frac{dr}{dt}\hat{r} + r\frac{d\theta}{dt}\hat{\theta}\right)$$ 

$$= \frac{d^2r}{dt^2}\hat{r} + \frac{dr}{dt}\frac{d\hat{r}}{dt} + \frac{dr}{dt}\frac{d\theta}{dt}\hat{\theta} + r\frac{d^2\theta}{dt^2}\hat{\theta} + r\frac{d\theta}{dt}\frac{d\hat{\theta}}{dt}$$ 

由 $d\hat{r} = d\theta\hat{\theta}$,可得 $d\hat{\theta} = -d\theta\hat{r}$

$$\Rightarrow \vec{a} = \frac{d^2r}{dt^2}\hat{r} + 2\frac{dr}{dt}\frac{d\theta}{dt}\hat{\theta} + r\frac{d^2\theta}{dt^2}\hat{\theta} - r\left(\frac{d\theta}{dt}\right)^2\hat{r}$$ 

$$= \left[\frac{d^2r}{dt^2} - r\left(\frac{d\theta}{dt}\right)^2\right]\hat{r} + \left[2\frac{dr}{dt}\cdot\frac{d\theta}{dt} + r\frac{d^2\theta}{dt^2}\right]\hat{\theta}$$ 

$$= \underbrace{(\ddot{r} - r\dot{\theta}^2)}_{\begin{subarray}{c} \uparrow \\ \text{长度不均匀变化} \end{subarray}}\hat{r} + \underbrace{\underbrace{(2\dot{r}\dot{\theta}}_{\begin{subarray}{c} \uparrow \\ \text{径向角度同时变化} \\ \text{科里奥利} \end{subarray}} + \underbrace{r\ddot{\theta})}_{\begin{subarray}{c} \rightarrow \\ \text{角度不均匀变化} \end{subarray}}}_{\text{向心/角度变化}}\hat{\theta}$$ 

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AIMEE11
1月前

质心对文本编辑的处理有很大问题,诸如换行程序貌似被写炸了(目前看来质心的处理是回车的时候光标跳转至下一行开始并清空该行内容不知道具体是咋处理的太诡异了,感觉默认全体用户都是从上往下打不会修改中间内容)latex经常炸,我在CSDN还有其他网站的博客原文搬过来都会炸,真没招,而且他不像其他网站炸的时候按正确逻辑显示原文至少能看懂,他告诉你他期望字符是啥而你输入的不对,真没招了

还是麻烦帖主把炸的地方发一下

以及佬很强%%%

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全世界无产者联合起来
1月前

喵喵喵Screenshot_2026_0720_003852.jpg

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坍缩态的薇汾
1月前

炸掉的地方

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