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高中物理 勻變速直線運(yùn)動——豎直方向上的相遇問題

2023-07-14 16:48 作者:南宮很二  | 我要投稿

之前講到的相遇問題都是在水平方向上的相遇問題,這篇文章講一下豎直方向上的相遇問題??匆粋€例題。

A、B兩根細(xì)木棒,長度都是1米,A掛在高處,B放在地面上,A的下端和B的上端相距20米,讓兩木棒同時運(yùn)動,A做自由落體運(yùn)動,B以初速度v_0%3D20m%2Fs做豎直上拋運(yùn)動。在運(yùn)動過程中,兩木棒始終保持豎直,那么經(jīng)過多長時間之后兩木棒相遇?相遇過程經(jīng)歷了多長時間?(g%3D10m%2Fs%5E2

分析:兩根木棒,一個做自由落體運(yùn)動,一個做豎直上拋運(yùn)動,在空中相遇時,A木棒的下端和B木棒的上端剛好在一條水平線上,而一開始A木棒的下端和B木棒的上端距離20米,此時位移關(guān)系滿足A木棒下端移動的距離+B木棒上端移動的距離=一開始的距離20米。

從相遇開始,A木棒繼續(xù)向下做自由落體運(yùn)動,B木棒繼續(xù)做豎直上拋運(yùn)動,當(dāng)A木棒的上端和B木棒的下端剛要分開的時候,此時位置關(guān)系滿足A棒移動的距離+B棒移動的距離=2m。

解:畫出位置關(guān)系圖。

相遇的位置關(guān)系圖

設(shè)A木棒向下做自由落體的距離為h_A,下落時間為t_1,根據(jù)公式h%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20h_A%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D10%5Ctimes%20%20t_1%5E2;B木棒向上做豎直上拋運(yùn)動的距離為h_B,上升時間與A木棒相同為t_1,初速度v_0%3D20m%2Fs,根據(jù)公式h%3Dv_0t-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20h_B%3D20t-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes%20%205t_1%5E2;由題意可知h_A%2Bh_B%3D20m,將三式聯(lián)立解得t_1%3D1s,即兩木棒經(jīng)過1s的時間相遇。

相遇過程位置關(guān)系圖

上一問算出A、B相遇所用時間為1s,設(shè)此時A的速度為v_A,相遇經(jīng)歷的時間為t_2,A做自由落體運(yùn)動,由公式v_t%3Dgtv_A%3D10m%2Fs%5E2%5Ctimes%201s%3D10m%2Fs,A棒在這段時間內(nèi)移動的距離由公式h%3Dv_0t%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20h_A%3D10t_2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes%20%205t_2%5E2;設(shè)此時B的速度為v_B,時間與A相同為t_2,初速度v_0%3D20m%2Fs,B做豎直上拋運(yùn)動,由公式v_t%3Dv_0-gtv_B%3D20m%2Fs-10m%2Fs%5E2%5Ctimes%201s%3D10m%2Fs,B棒在這段時間移動的距離由公式h%3Dv_0t-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20h_B%3D10t_2-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes%20%2010t_2%5E2,由題意可知h_A%2Bh_B%3D2m,聯(lián)立各式可得t_2%3D0.1s,即A、B兩棒相遇所經(jīng)歷的時間為0.1s。

注意:本題沒有設(shè)正方向, 是按照位置關(guān)系圖直接算出各自運(yùn)動的距離,由于兩木棒做的都是直線運(yùn)動,所以在數(shù)量上可以直接運(yùn)算。要是按照設(shè)正方向的方法,A棒的位移、速度、加速度都是負(fù)的,列式子的時候要注意正負(fù)號。另外本題還可以用變換參考系的方法進(jìn)行計(jì)算,由于加速度都是g,所以彼此之間的相對運(yùn)動是勻速直線運(yùn)動,直接用相對位移除以相對速度即可得出答案。

總結(jié)

豎直方向上的相遇問題和水平方向上的相遇問題解法類似,都是先畫出位置關(guān)系圖,然后再按照各物體的運(yùn)動情況寫出表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。

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