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高中物理 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究——追及問題

2023-05-11 22:41 作者:南宮很二  | 我要投稿

在初中學(xué)習(xí)的過程中,經(jīng)常要解決相遇與追及問題。相遇問題就是兩個(gè)物體相向運(yùn)動(dòng),追及問題就是兩個(gè)物體同向運(yùn)動(dòng),并在相同的時(shí)間到達(dá)相同的空間位置。在初中階段,物體的運(yùn)動(dòng)都是簡單的勻速直線運(yùn)動(dòng),在高中階段,物體會(huì)具有加速度,做變速運(yùn)動(dòng),會(huì)使得運(yùn)動(dòng)變得復(fù)雜;通常還會(huì)問到,什么時(shí)候兩物體距離最近?什么時(shí)候兩物體距離最遠(yuǎn)?

看一個(gè)例題:有甲乙兩輛汽車,乙車從圖中位置以速度10m/s做勻速直線運(yùn)動(dòng),同時(shí)甲車在乙車左側(cè)12m的A點(diǎn),以4m%2Fs%5E2的加速度做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。那么在甲車追上乙車之前,它們之間的最大距離是多少?甲車追上乙車所用的時(shí)間是多少?此時(shí)甲車的位移是多少?

分析:乙在前面做勻速直線運(yùn)動(dòng),甲在后面做勻加速直線運(yùn)動(dòng),開始的時(shí)候甲車的速度小于乙車的速度,兩者的距離在拉大,直到后來甲車速度大于乙車速度之后,兩者的距離就開始減小了,所以當(dāng)甲乙兩車速度相等的時(shí)候距離最遠(yuǎn)。

解:已知甲車加速度為a%3D4m%2Fs%5E2,乙車速度v_%7B%E4%B9%99%7D%3D10m%2Fs%20,假設(shè)經(jīng)過時(shí)間t_1后甲乙兩車速度相同,此時(shí)有v_%7B%E7%94%B2%7D%3D%20v_%7B%E4%B9%99%7D%20,甲車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)有v_%7B%E7%94%B2%7D%3Dat_1%20,帶入數(shù)據(jù)得t_1%3D2.5s,即甲車追上乙車之前,經(jīng)過2.5s兩者距離最遠(yuǎn)。

乙車的位移就是BD段,甲車的位移就是AC段,一開始甲乙兩車的位移是AB段,用乙車的位移BD加上AB,再減去甲車的位移AC就是兩者之間的最大距離,即S_%7BCD%7D%3DS_%7B%E4%B9%99%7D%2BS_%7BAB%7D-S_%7B%E7%94%B2%7D。

乙做勻速直線運(yùn)動(dòng),位移S_%7B%E4%B9%99%7D%3Dv_%7B%E4%B9%99%7Dt_1%3D10m%2Fs%5Ctimes%202.5s%3D25m

甲做勻加速直線運(yùn)動(dòng),位移S_%7B%E7%94%B2%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat_1%5E2%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes%20%204m%2Fs%5E2%5Ctimes%20(2.5s)%5E2%3D12.5m

S_%7BAB%7D%3D12m,將這些帶入上式得最大距離S_%7BCD%7D%3D24.5m,即甲車追上乙車之前兩者最大的距離為24.5m。

假設(shè)甲車追上乙車所用時(shí)間為t_2,此時(shí)甲車的位移就是AD段,乙車的位移就是BD段,它們的差就是原來的間距AB,即S_%7B%E7%94%B2%7D-S_%7B%E4%B9%99%7D%3DS_%7BAB%7D。

甲做勻加速直線運(yùn)動(dòng),位移S_%7B%E7%94%B2%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat_2%5E2%20,乙做勻速直線運(yùn)動(dòng),位移S_%7B%E4%B9%99%7D%3Dv_%7B%E4%B9%99%7Dt_2,S_%7BAB%7D%3D12m,將這些數(shù)據(jù)帶入上式得%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat_2%5E2-v_%7B%E4%B9%99%7Dt_2%3D12m%20,%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes%20%204m%2Fs%5E2%5Ctimes%20t_2%5E2-10m%2Fs%5Ctimes%20t_2%3D12m

整理得t_2%5E2-5t_2-6%3D0,解得t_2%3D6s%EF%BC%8Ct_2%3D-1s(%E8%88%8D%E5%8E%BB),即經(jīng)過6s甲車追上乙車。

此時(shí)甲的位移S_%7B%E7%94%B2%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat_2%5E2%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes%20%204m%2Fs%5E2%5Ctimes%20(6s)%5E2%3D72m

甲車追上乙車時(shí)的位移為72m。

總結(jié)

不管是相遇問題還是追及問題,首先畫出物體運(yùn)動(dòng)位移的關(guān)系圖,然后理清楚物體運(yùn)動(dòng)的位移、速度和時(shí)間的關(guān)系,列出關(guān)系式進(jìn)行求解。兩者速度相同時(shí),一般就是兩者間距最大或者最小的臨界點(diǎn),也是分析判斷的切入點(diǎn)。

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