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高中物理 勻變速直線運動的研究——追及與相遇問題中變換參考系

2023-05-25 19:40 作者:南宮很二  | 我要投稿

前面講解了追及與相遇問題的一般解法,以地面為參考系,畫出位置關(guān)系圖,找到恰好不相撞的位移、速度和時間關(guān)系,列出關(guān)系式求解。

這一節(jié)來看一下另一種解法,利用變換參考系的方法,先來看一下什么是變換參考系。

比如有AB兩車一起向右做勻速直線運動,以向右為正方向,兩車的速度分別為v_%7BA%7D%3D4m%2Fs%EF%BC%8Cv_%7BB%7D%3D10m%2Fs%20%20,這里并未說參考系,就是默認以地面為參考系。如果以A為參考系,對于A車來說就處于靜止狀態(tài),此時B車的速度就是6m%2Fs,其實就是B相對于A的速度v_%7BBA%7D%20%3Dv_%7BB%7D-%20v_%7BA%7D%3D6m%2Fs%20;反過來以B為參考系,B車就處于靜止狀態(tài),此時A的速度是-6m%2Fs,與正方向相反,即向左運動,也就是A相對于B的速度,v_%7BAB%7D%3D%20v_%7BA%7D-%20v_%7BB%7D%3D-6m%2Fs%20。

如果AB兩車變成相向而行,速度大小不變,正方向不變,那么B的速度v_%7BB%7D%3D-10m%2Fs%20。以A為參考系,此時B車的速度就是v_%7BBA%7D%3D%20v_%7BB%7D-%20v_%7BA%7D%3D-14m%2Fs%20;以B為參考系,此時A車的速度v_%7BAB%7D%3D%20v_%7BA%7D-%20v_%7BB%7D%3D14m%2Fs%20。這就是變換參考系以后速度的變換。

總結(jié)一下變換參考系的原則:A相對于B的速度v_%7BBA%7D%20%3Dv_%7BB%7D-%20v_%7BA%7D%20,這個式子是矢量差。雖然這只是速度的變換,但是對于所有的矢量都可以用這樣的關(guān)系進行變換,A相對于B的加速度a_%7BBA%7D%3D%20a_%7BB%7D-%20a_%7BA%7D%20

利用這個方法來看一下上一節(jié)的例題。一輛火車A乙以20m%2Fs的速度勻速行駛,司機突然發(fā)現(xiàn)同軌道前方100m處有另一輛火車B以10m%2Fs的速度同方向勻速行駛。A火車立即做加速度為a 的勻減速直線運動,要使兩火車恰好不相撞,加速度a應(yīng)滿足什么條件?

解:以地面為參考系,前面的B車做勻速直線運動,v_%7BB%7D%3D10m%2Fs%EF%BC%8Ca_%7BB%7D%3D0%20%20,后面的A車做勻減速直線運動,v_%7BA%7D%3D20m%2Fs%EF%BC%8C%20a_%7BA%7D%3D%3F%20,兩車相距100m。

以B車為參考系,B車靜止不動,A車相對于B車的相對速度v_%7BAB%7D%3D%20v_%7BA%7D-%20v_%7BB%7D%3D20m%2Fs-10m%2Fs%3D10m%2Fs%20,方向向右;A車相對于B車的相對加速度a_%7BAB%7D%3D%20a_%7BA%7D-%20a_%7BB%7D%3Da_%7BA%7D%20%20,所以B車就會認為A車以10m/s的初速度,加速度為a_%7BAB%7D%20做勻減速直線運動向著B車駛來,直到兩車恰好要相撞時A車停下來并立即向反方向做勻加速直線運動,離B車越來越遠。

在以B車為參考系的條件下,已知A車的車速度v_%7BA%7D%3D10m%2Fs%20,末速度是零,位移x%3D100m,求加速度a_%7BA%7D%20。由公式v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%20%5E2%3D2ax計算即可,但這個公式中的物理量都是相對速度,相對加速度和相對位移;將這些相對量帶入可得0-(10m%2Fs)%5E2%3D2%5Ctimes%20a_%7BAB%7D%5Ctimes%20%20100m,得a_%7BAB%7D%3D-0.5m%2Fs%5E2%20,負號表示做勻減速直線運動,因為B車的加速度a_%7BB%7D%3D0%20,所以A車的加速度a_%7BA%7D%20就是A車相對于B車的加速度a_%7BAB%7D%20,即a_%7BA%7D%3D%20-0.5m%2Fs%5E2。所以A車應(yīng)該以大小為0.5m%2Fs%5E2的加速度做勻減速直線運動才能避免相撞。

如果B車的對地的加速度不是零,就要用a_%7BAB%7D%3D%20a_%7BA%7D-%20a_%7BB%7D%20進行計算。

總結(jié)

對于追及和相遇問題可以使用參考系變化的方法,使用時按照參考系的變換原則就可以使解題步驟簡化。

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