矢量合成和分解的法则_重点解析丨抛体运动 之 运动的合成与分解
小編亂入
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知知識(shí)會(huì)識(shí)會(huì)
知識(shí)會(huì)01?一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)的實(shí)例
1.? 建立坐標(biāo)系
如下圖所示,為研究密封在玻璃管內(nèi)水中蠟塊的運(yùn)動(dòng),以蠟塊開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的位置為原點(diǎn)O建立坐標(biāo)系.
蠟塊在浮力的作用下恰能以速度v1沿y軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng).
玻璃管能以速度v2沿x軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng).
若在玻璃管沿x軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)釋放小蠟塊,則小蠟塊的運(yùn)動(dòng)情況如下圖所示.
2.? 蠟塊運(yùn)動(dòng)的軌跡
從蠟塊開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻計(jì)時(shí),在某時(shí)刻t,蠟塊的位置P可以用它的x、y兩個(gè)坐標(biāo)表示,即
x=v2t
y=v1t
以上兩式聯(lián)立,消掉t,可得
由于v1和v2都是常量(這里說(shuō)的“常量”,指的是它不隨位置、時(shí)間變化.)所以也是常量,可見(jiàn)代表的是一條過(guò)原點(diǎn)的直線,這樣就用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)了蠟塊的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條過(guò)原點(diǎn)的直線.
3.? 蠟塊運(yùn)動(dòng)的速度、位移
由上圖所示,蠟塊運(yùn)動(dòng)的速度為
方向:tan θ=
由上圖所示,蠟塊位移的大小l=
02運(yùn)動(dòng)的合成與分解
如下圖所示,在上面的例子中,蠟塊沿y軸方向的運(yùn)動(dòng)和沿x軸方向的運(yùn)動(dòng)都叫作分運(yùn)動(dòng);而蠟塊相對(duì)于地面實(shí)際進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)叫作合運(yùn)動(dòng).
由分運(yùn)動(dòng)求合運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,叫作?運(yùn)動(dòng)的合成?;由合運(yùn)動(dòng)求分運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,叫作?運(yùn)動(dòng)的分解?.運(yùn)動(dòng)的合成與分解互為逆運(yùn)算.
運(yùn)動(dòng)的合成與分解遵從?平行四邊形?定則或三角形定則.
1.? 合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的特性
(1)獨(dú)立性:一個(gè)物體同時(shí)參與幾個(gè)分運(yùn)動(dòng),各分運(yùn)動(dòng)獨(dú)立進(jìn)行,不受其他分運(yùn)動(dòng)的影響.
(2)等時(shí)性:各分運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的時(shí)間與合運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的時(shí)間?相等?,求物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí),可選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解.
(3)等效性:各分運(yùn)動(dòng)疊加起來(lái)與合運(yùn)動(dòng)有相同的效果,即分運(yùn)動(dòng)與合運(yùn)動(dòng)可以等效替代.這樣為了解題方便,我們就可以根據(jù)解題的需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的合成和分解.
(4)同體性:各分運(yùn)動(dòng)與合運(yùn)動(dòng)是同一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng).
運(yùn)動(dòng)的合成與分解
實(shí)驗(yàn)演示:運(yùn)動(dòng)的合成和分解
2.?? “三步走”求解合運(yùn)動(dòng)或分運(yùn)動(dòng)
(1)根據(jù)題意確定物體的合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng).
(2)利用“化曲為直”的思想把曲線運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)方向上的直線運(yùn)動(dòng),根據(jù)平行四邊形定則作出矢量合成或分解的平行四邊形.
(3)根據(jù)所畫(huà)圖形求解合運(yùn)動(dòng)或分運(yùn)動(dòng)的參量,求解時(shí)可以利用勾股定理、三角函數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí).
示范例題例題1.(單選題)關(guān)于合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng),下列說(shuō)法正確的是(? ? )
A.合運(yùn)動(dòng)的速度等于兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的速度之和
B.合運(yùn)動(dòng)的時(shí)間一定等于分運(yùn)動(dòng)的時(shí)間
C.兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是直線運(yùn)動(dòng)
D.合運(yùn)動(dòng)的速度方向一定與其中某一分速度方向相同
【答案】B
【解析】根據(jù)平行四邊形定則知,合運(yùn)動(dòng)的速度可能比分運(yùn)? 動(dòng)的速度大,可能比分運(yùn)動(dòng)的速度小,可能與分運(yùn)動(dòng)的速度 相等,故A錯(cuò)誤;
合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性,故B正確;
兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)不一定是直線運(yùn)動(dòng),故C錯(cuò)誤;
合運(yùn)動(dòng)的速度方向可能與某一分運(yùn)動(dòng)的速度方向相同,也可能不同,故D錯(cuò)誤.
K重難
01?兩個(gè)互成角度的直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)
1.? 合運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的判斷
2.? 兩個(gè)互成角度的直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的判斷
根據(jù)合加速度方向和合初速度方向的關(guān)系,判定合運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)還是曲線運(yùn)動(dòng),具體分為以下幾種情況:
(1)兩個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是??勻速直線??運(yùn)動(dòng).
(2)兩個(gè)初速度均為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是??初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng).
(3)一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)是?勻變速?運(yùn)動(dòng),當(dāng)二者速度方向共線時(shí)為勻變速直線運(yùn)動(dòng),不共線時(shí)為勻變速曲線運(yùn)動(dòng).
(4)兩個(gè)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是?勻變速?運(yùn)動(dòng).
若兩運(yùn)動(dòng)的合初速度方向與合加速度方向在同一條直線上,則合運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng),如下圖所示.
若合初速度方向與合加速度方向不在一條直線上,則合運(yùn)動(dòng)是勻變速曲線運(yùn)動(dòng),如下圖所示.
兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的判斷
示范例題例題1.(單選題)關(guān)于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng),下列說(shuō)法中正確的是(????? )
A.兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是直線運(yùn)動(dòng)
B.兩個(gè)互成角度的勻速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是勻速直線運(yùn)動(dòng)
C.兩個(gè)互成角度的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是勻變速直線運(yùn)動(dòng)
D.兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和它們的合運(yùn)動(dòng)的時(shí)間不相等
【答案】B
【解析】?jī)蓚€(gè)分運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng),其合運(yùn)動(dòng)不一定是直線運(yùn)動(dòng);兩個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是勻速直線運(yùn)動(dòng),故選項(xiàng)B正確,A錯(cuò)誤.
兩個(gè)互成角度的勻變速直線運(yùn)動(dòng),合初速度為v,合加速度為a,由物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件可知,當(dāng)v與a共線時(shí),合運(yùn)動(dòng)為勻變速直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)v與a不共線時(shí),合運(yùn)動(dòng)為勻變速曲線運(yùn)動(dòng),故選項(xiàng)C錯(cuò)誤.
分運(yùn)動(dòng)和合運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤.
例題2.(單選題)如下圖所示,一塊橡皮用不可伸長(zhǎng)的細(xì)線懸掛于O點(diǎn),用鉛筆靠著細(xì)線的左側(cè)水平向右勻速移動(dòng),運(yùn)動(dòng)中始終保持懸線豎直,則橡皮運(yùn)動(dòng)的速度(????? )
A.大小和方向均不變
B.大小不變,方向改變
C.大小改變,方向不變
D.大小和方向均改變
【答案】A
【解析】橡皮參與了兩個(gè)分運(yùn)動(dòng),一個(gè)是沿水平方向與鉛筆速度相同的勻速直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)是沿豎直方向與鉛筆移動(dòng)速度大小相等的勻速直線運(yùn)動(dòng),這兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)是斜向上的勻速直線運(yùn)動(dòng),故選項(xiàng)A正確.
點(diǎn)撥?先確定兩個(gè)分運(yùn)動(dòng),再確定合運(yùn)動(dòng).
(1)橡皮在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),在豎直方向也做勻速直線運(yùn)動(dòng).
(2)橡皮的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng).
02?小船渡河問(wèn)題
1.? 小船渡河問(wèn)題可以基于以下幾點(diǎn)進(jìn)行理解和分析
(1)將船的實(shí)際運(yùn)動(dòng)看成船隨水流的運(yùn)動(dòng)和船在靜水中的運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng).船的航行方向是實(shí)際運(yùn)動(dòng)的方向,即合速度的方向.
(2)如下圖所示,v水表示水流速度,v靜水表示船在靜水中的速度,將船在靜水中的速度v靜水沿平行于河岸和垂直于河岸方向正交分解,則v水-v靜水cos θ為船實(shí)際上沿水流方向的運(yùn)動(dòng)速度,v⊥=v靜水sin θ為船在垂直于河岸方向的運(yùn)動(dòng)速度.兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)情況相互獨(dú)立、互不影響.
2.? 兩類(lèi)渡河問(wèn)題
2-1 渡河時(shí)間最短問(wèn)題
問(wèn)題:船在靜水中的速度為v船,水流的流速為v水.船怎樣行駛才能使過(guò)河時(shí)間最短呢?最短時(shí)間是多少呢?
解決:為船任意選擇一個(gè)行駛方向進(jìn)行研究,如下圖所示,船頭與河岸的夾角為θ.那么,船速可以分解為:用以過(guò)河的v1和順流而下的v2,v1垂直于河岸,v2平行于河岸.
v1=v船sin θ
v2=v船cos θ
(1)從物理角度分析,順流而下的速度v2對(duì)過(guò)河毫無(wú)意義,他疊加到水速的效果上,只是使船沿河向下游的速度變大了而已.只有v1才有意義.那么當(dāng)船頭垂直于河岸行駛時(shí),速度就不會(huì)浪費(fèi)了,所以船頭應(yīng)該垂直于河岸行駛.
(2)從數(shù)學(xué)角度分析,當(dāng)時(shí),v1最大,過(guò)河時(shí)間最短.
以上兩種分析方法殊途同歸,得到相同的結(jié)論:
敲黑板雖然這樣過(guò)河時(shí)間最短,但是,位移不是最短的哦!小船真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如下圖所示.
小船如何渡河時(shí)間最短
2-2? ?渡河位移最小問(wèn)題
(1)問(wèn)題1:船在靜水中的速度為v船,水流的流速為v水,v船>v水.船怎樣行駛才能使過(guò)河的位移最短呢?最短位移是多少呢?過(guò)河時(shí)間是多少呢?
分析:船即使不開(kāi)動(dòng)自己的動(dòng)力,也能獲得一個(gè)水給它的速度v水,即船順流而下.船還有自己的動(dòng)力能產(chǎn)生速度v船.
船頭朝向不同,船行駛的真實(shí)軌跡就會(huì)不同,這樣船可以行駛出無(wú)數(shù)條軌跡.很明顯其中垂直于河岸的軌跡位移最短.
解決:
①合成法
水給予船的漂流速度大小和方向不變,為了使船的真實(shí)軌跡垂直于河岸,就需要通過(guò)調(diào)整船頭方向,使船速與水流速合成一個(gè)垂直于河岸的實(shí)際過(guò)河速度,如下圖所示.其中:設(shè)船與河岸的夾角為α,則
②分解法
為了抵消水流的影響,船必須有一個(gè)逆流而上的速度v船1,且v船1=v水,另外船還必須有一個(gè)垂直于河岸過(guò)河的速度v船2,它們是v船的兩個(gè)分速度.所以,船頭必須沿斜向上游方向行駛.設(shè)船與河岸的夾角為α,則
以上兩種分析方法殊途同歸,得到相同的結(jié)論:
敲黑板雖然這樣過(guò)河位移最短,但是,時(shí)間不是最短的哦!
(2)問(wèn)題2:船在靜水中的速度為v船,水流的流速為v水,v船
分析:船是否能垂直河岸過(guò)河呢?因?yàn)関船船走不出垂直于河岸的軌跡.
雖然走不出垂直于河岸的軌跡,但是由于船頭不同的指向,依然可以走出無(wú)數(shù)條不同的軌跡,在這些軌跡中跟河岸的夾角最大的軌跡位移最短.
解決:當(dāng)船頭指向與水流方向成θ角時(shí),依據(jù)運(yùn)動(dòng)合成的平行四邊形定則,船的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度v合表示如圖.
應(yīng)用矢量三角形法則,平移v船,使v船和v水首尾相接,連接v水的首端和v船的尾端的有向線段就是v合.
隨著船頭指向變化,v船繞著v水的尾端形成一個(gè)半圓,v水不變,v合的大小與方向均發(fā)生變化.當(dāng)v合與半圓相切時(shí),與河岸的夾角最大,這時(shí)船過(guò)河的位移最短.
當(dāng)v合與半圓相切時(shí),v合與v船成直角,設(shè)船頭跟河岸的夾角為α,則有:
cos α=v船/v水,(α與θ互補(bǔ))
v合=v水sin α
最短位移xmin=d/cos α
過(guò)河時(shí)間t=d/(v船sin α)
劃重點(diǎn)當(dāng)面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題沒(méi)有頭緒的時(shí)候,聰明的人總是先任選一種情況進(jìn)行探索,找一下規(guī)律,例如剛才我們就是通過(guò)研究船頭與河水流向成θ角時(shí)的情況找到了解決問(wèn)題的方法.
小船如何渡河距離最短?
示范例題例題1.(解析題)小船要渡過(guò)200m寬的河,水流速度為2 m/s,船在靜水中的速度為4 m/s.
(1)若小船的船頭始終正對(duì)對(duì)岸,它將在何時(shí)、何處到達(dá)對(duì)岸?
(2)要使小船到達(dá)正對(duì)岸,應(yīng)如何航行?歷時(shí)多久?
(3)小船渡河的最短時(shí)間為多少?
(4)若水流速度為5 m/s,船在靜水中的速度為3 m/s,則怎樣渡河才能使船駛向下游的距離最小?最小距離為多少?(sin 53°=0.8,cos 53°=0.6,結(jié)果取整數(shù))
【答案】(1)50s時(shí)在正對(duì)岸下游100m處靠岸;
(3)50s;
(4)船頭與上游河岸的夾角為53°;最小距離為267m;
【解析】(1)小船渡河過(guò)程參與了兩個(gè)分運(yùn)動(dòng),即船隨水流的運(yùn)動(dòng)和船在靜水中的運(yùn)動(dòng).因?yàn)榉诌\(yùn)動(dòng)之間具有獨(dú)立性和等時(shí)性,故小船渡河時(shí)間等于它在垂直河岸方向上的分運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,即
小船沿水流方向的位移
s水=v水t⊥=2×50m=100m
即小船將在正對(duì)岸下游100m處.
(2)要使小船到達(dá)正對(duì)岸,即合速度v應(yīng)垂直于河岸,如下圖所示.
則
(3)考慮一般情況,設(shè)船頭與上游河岸成任意角α,如下圖所示.
小船的渡河時(shí)間取決于小船垂直于河岸方向上的分速度
v⊥=v靜水sin α
故小船渡河時(shí)間為
當(dāng)α=90°,即船頭與河岸垂直時(shí),渡河時(shí)間最短,最短時(shí)間為??tmin=50s.
(4)因?yàn)関′靜水
設(shè)船頭(v′靜水)與上游河岸成β角,合速度v′與下游河岸成γ角,可以看出γ角越大,船駛向下游的距離x′越小.以v′水矢量的末端為圓心,以v′靜水的大小為半徑畫(huà)圓,當(dāng)合速度v′與圓相切時(shí),γ角最大.
船頭與上游河岸的夾角
β=53°
代入數(shù)據(jù)解得
x′≈267m.
點(diǎn)撥小船渡河問(wèn)題主要考查合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,要弄清物理情境.要使小船渡河的時(shí)間最短,只要小船在靜水中的速度方向垂直河岸即可,但是求渡河的最小位移時(shí),要注意小船在靜水中的速度與水流速度的大小關(guān)系,選用不同的分析方法.在分析求解具體問(wèn)題時(shí),要明確小船渡河時(shí)其航行的方向?yàn)楹纤俣鹊姆较?#xff0c;這是解答此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵.
03實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的關(guān)聯(lián)速度問(wèn)題
關(guān)聯(lián)速度問(wèn)題一般是指物拉繩(或桿)和繩(或桿)拉物問(wèn)題.高中階段研究的繩都是不可伸長(zhǎng)的,桿都是不可伸長(zhǎng)且不可壓縮的,即繩或桿的長(zhǎng)度不會(huì)改變.
1.? 速度規(guī)律
繩、桿等連接的兩個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,其速度通常是不一樣的,但兩個(gè)物體沿繩或桿方向的速度大小相等,我們稱(chēng)之為關(guān)聯(lián)速度.
2.? 解決關(guān)聯(lián)速度問(wèn)題的一般步驟
第一步:先確定合運(yùn)動(dòng),即物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng).
第二步:確定合運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)實(shí)際作用效果,一是沿繩(或桿)方向的平動(dòng)效果,這個(gè)效果改變速度的大小;二是沿垂直于繩(或桿)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)效果,這個(gè)效果改變速度的方向.即將實(shí)際速度分解為垂直于繩(或桿)和平行于繩(或桿)方向的兩個(gè)分量.
第三步:按平行四邊形定則進(jìn)行分解,作出運(yùn)動(dòng)矢量圖.
第四步:根據(jù)沿繩(或桿)方向的速度相等列方程求解.
3.? 常見(jiàn)的模型
3-1 車(chē)?yán)P?/span>
問(wèn)題:車(chē)?yán)\(yùn)動(dòng),車(chē)勻速前進(jìn),速度為v,當(dāng)繩與水平方向成α角時(shí),船速v′是多少?
分析:繩與船接觸的點(diǎn)M是個(gè)特殊的點(diǎn),此點(diǎn)既在繩上又在船上.在船上,是實(shí)際運(yùn)動(dòng)(合運(yùn)動(dòng)).在繩上,同時(shí)參與兩個(gè)分運(yùn)動(dòng).
點(diǎn)M從A到B的運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜,為了便于理解和觀察,把運(yùn)動(dòng)過(guò)程等效分解為兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)過(guò)程.一個(gè)是繞滑輪做的圓周運(yùn)動(dòng),這個(gè)運(yùn)動(dòng)不改變繩長(zhǎng),每一時(shí)刻的速度方向都垂直于繩的方向.另一個(gè)是沿著繩的方向做的直線運(yùn)動(dòng),這個(gè)運(yùn)動(dòng)是由于車(chē)?yán)瓌?dòng)繩向O點(diǎn)收縮引起的.
所以點(diǎn)M的速度每時(shí)每刻都可以分解為兩個(gè)速度.
一個(gè)是垂直于繩的方向的v1.
另一個(gè)是沿著繩的方向的v2.
則有:
v1=v′sin α
v2=v′cos α
車(chē)和船都在同一根繩上,由于繩的長(zhǎng)度不會(huì)改變,所以車(chē)和船的實(shí)際速度沿繩方向的分速度大小相同.
解決:車(chē)在繩上的分速度等于船在繩上的分速度.即
v=v2
v=v′sin α
所以
v′=v/sin α
繩子的“關(guān)聯(lián)”速度問(wèn)題
3-2? 其他模型
(1)兩個(gè)物體的繩子末端速度的分解
如下圖所示,兩個(gè)物體的速度都需要分解,其中兩個(gè)物體的速度沿著繩子方向的分速度是相等的,即vA∥=vB∥.
(2)兩個(gè)物體的硬桿末端速度的分解
如下圖所示,a、b沿桿的方向上各點(diǎn)的速度大小相等.
vacos θ=vbcos α
va:vb=cos α:cos θ
示范例題例題1.(單選題)固定在豎直平面內(nèi)的半圓形剛性鐵環(huán),半徑為R,鐵環(huán)上穿著小球,鐵環(huán)圓心O的正上方固定一個(gè)小定滑輪.用一條不可伸長(zhǎng)的細(xì)繩,通過(guò)定滑輪以一定速度拉著小球從A點(diǎn)開(kāi)始沿鐵環(huán)運(yùn)動(dòng),某時(shí)刻小球運(yùn)動(dòng)至如下圖所示位置,若繩末端的速度為v,則小球此時(shí)的速度為(????? )
【答案】A
【解析】小球的速度方向沿鐵環(huán)的切線方向,將小球的速度分解為沿繩方向和垂直于繩方向的分量,沿繩方向的速度為v,則v′cos 30°=v,解得
選項(xiàng)A正確.
點(diǎn)撥找準(zhǔn)合運(yùn)動(dòng),分解合運(yùn)動(dòng),不能分解分運(yùn)動(dòng).
聲明:以上內(nèi)容摘自包學(xué)習(xí)APP_動(dòng)態(tài)教輔《高中物理丨必修第二冊(cè)》,歡迎來(lái)包學(xué)習(xí)和更多小伙伴一起學(xué)習(xí)更多知識(shí)吧。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的矢量合成和分解的法则_重点解析丨抛体运动 之 运动的合成与分解的全部?jī)?nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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