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

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,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
,其實就是B相對于A的速度
;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
,與正方向相反,即向左運動,也就是A相對于B的速度,
。
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。以A為參考系,此時B車的速度就是
;以B為參考系,此時A車的速度
。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,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
。
利用這個方法來看一下上一節(jié)的例題。一輛火車A乙以的速度勻速行駛,司機突然發(fā)現(xiàn)同軌道前方100m處有另一輛火車B以
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,,后面的A車做勻減速直線運動,
,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,方向向右;A車相對于B車的相對加速度
,所以B車就會認為A車以10m/s的初速度,加速度為
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,末速度是零,位移
,求加速度
。由公式
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
,得
,負號表示做勻減速直線運動,因為B車的加速度
,所以A車的加速度
就是A車相對于B車的加速度
,即
。所以A車應(yīng)該以大小為
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。