高中物理 勻變速直線運動的研究——豎直方向上的相遇問題再討論

上一節(jié)講了豎直方向上的相遇問題的一般情況,這一節(jié)討論一下更復雜一些的相遇問題??磦€例題。
球A從距離地面高度為H的地方自由下落,同時球B從球A的正下方以初速度向上做豎直上拋運動。請問(1)要想在球B上升的過程中兩球相遇,
的取值范圍?(2)要想在球B下降的過程中兩球相遇,
的取值范圍?

分析:A球做自由落體運動,方向始終豎直向下;B球做豎直上拋運動,上升階段方向豎直向上,如果在這個階段相遇,那么兩球的運動距離之和應(yīng)該等于A球一開始距離地面的高度H,相遇的時間可以由B球求得。
B球下降階段方向豎直向下,如果在這個階段相遇,那么A球距出發(fā)點的距離+B球距出發(fā)點的距離=H,由于條件的限制,下降階段的時間求不出來,所以取極限位置(B球剛好回到出發(fā)的位置時A球追上B球)的速度來求時間,由于豎直上拋運動的對稱性,此時速度大小和大小相等,方向相反,可以求出相遇時間。
以上是按照以地面為參考系進行的分析,過程稍有一點復雜,由于兩球的加速度相等,相對加速度就為零,以A球為參考系,B球就以做勻速直線運動,使用變換參考系的方法可以將問題簡單化。
解:(1)以地面為參考系,B球上升到最高點所用的時間由公式得
,此時A球移動的距離
,B球移動的距離為
,由相遇的位置關(guān)系可知
,聯(lián)立各式可得
由題意可知當
時,兩球在上升階段相遇。
(2)以地面為參考系,取極限相遇位置,B球回到出發(fā)點所用的時間由公式得
此時A球移動的距離,B球距出發(fā)點的距離為
,由相遇的位置關(guān)系可知
,聯(lián)立各式可得
由題意可知當
時,兩球在下降階段相遇。
再來看一下變換參考系的解法
以A球為參考系,A球靜止,B球向著A做速度為的勻速直線運動,兩者相遇時間
,B球上升階段所用的時間
,所以只要
即可,解得
;根據(jù)豎直上拋運動的對稱性可知下落回地面的時間
,所以只要
即可,解得
。
總結(jié)
研究相遇問題,一般先分開研究每個物體的運動情況,再合在一起看位置關(guān)系。豎直方向上的相遇問題,自由落體運動和豎直上拋運動由于加速度相等,利用變換參考系的方法可以題目變得簡單。