KINEMATICS / INTERACTIVE LAB · 11

两点运动与交点轨迹

匀速往返 × 余弦运动
M、N、P 同在 A 点轨迹位于同一平面 · 拖动旋转视角,滚轮缩放
蓝:M 与水平坐标 青:N 与竖直坐标 橙:交点 P
右键 / Shift 拖动平移 · 双指缩放
时间 t = 0.000 T位置组合周期 3T · 几何轨迹在 1.5T 时已完整
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四个选项 · 点击比较

统一以 A 为左上角

两点运动与交点轨迹

原题

M 沿边长 L 的正方形 ABCD 的边 AB 做匀速率往复运动,周期为 T。N 沿 AD 边运动,位移满足 y = 0.5L[1 − cos(4πt/3T)]。M、N 均从 A 点出发,P 在正方形平面内,且始终 PM ⟂ AB、PN ⟂ AD,判断 P 的轨迹。

1 · 坐标由投影约束直接确定

以 A 为原点,AB 向右为 x 轴,AD 向下为 y 轴。PM 垂直于 AB,故 xP = xM;PN 垂直于 AD,故 yP = yN。M 每半个周期走一条边,因此速率为 2L/T。

令 τ = t/T,r = τ − floor(τ)
xP/L = 1 − |1 − 2r|
yP/L = ½[1 − cos(4πτ/3)]

2 · 分段轨迹(令 ξ = x/L)

0 ≤ t ≤ T/2: y/L = ½[1 − cos(2πξ/3)]
T/2 ≤ t ≤ T: y/L = ½[1 − cos(4π/3 − 2πξ/3)]
T ≤ t ≤ 3T/2: y/L = ½[1 − cos(4π/3 + 2πξ/3)]

第一段从左上角走到右边的 ¾L 处;第二段经过底边中点,再到左边的 ¾L 处;第三段从那里走到右上角,与第一段交于 (L/2, L/4)。三段合起来恰是选项 C。

3 · 几何轨迹与运动周期不同

M 的周期为 T,N 的周期为 3T/2,二者位置组合的最小正周期为 3T。前 3T/2 已画完全部几何轨迹;后 3T/2 按相反顺序重走。t = 3T 时,二者同时回到 A,开始下一个周期。

模型说明

  1. 这是给定位移规律的运动学演示,不需要假设质量、受力或碰撞。所有位置直接由题设方程求值。
  2. 时间以 T、长度以 L 定标,播放速度只改变展示时钟。M 的端点折返是题设中的理想瞬时换向。
  3. P 是两条垂线的几何交点。它的运动速度不等于 M 或 N 的单独速度。
  4. 所有物理位置均在 ABCD 平面内;三维拖动仅用于从不同角度观察,点的厚度与底板厚度只作示意。
  5. 选项缩略图按原图曲线形状重绘:C 由题设参数方程精确绘制,其他选项为对照曲线。