高中物理 勻變速直線運動的研究——自由落體運動的綜合問題

通過對勻變速直線運動的研究,再來看課本中給出的公式,速度與時間的關(guān)系,位移與時間的關(guān)系
,速度與位移的關(guān)系
。在這幾個公式中,四個物理量只要知道三個就能求出另外一個物理量。也就是說在勻變速直線運動的問題中,只要知道
五個物理量中的三個就可以求出另外兩個物理量,簡稱知三求二。
結(jié)合這一點,在解決問題的過程中會有很大的幫助,看個例題。
一架直升機在距離地面224m的高空懸停,跳傘運動員離開飛機做自由落體運動,運動一段時間后打開降落傘,降落傘打開后運動員做勻減速直線運動,加速度變成,為了安全考慮,運動員落地時速度最大不能超過
,那么運動員打開降落傘時距離地面的高度是多少?在空中的最短時間是多少?(
)
分析:運動員跳傘到落地,分為兩個兩個階段,一開始做自由落體運動,后面做勻減速直線運動,前一階段長,后一階段就短,落地速度就大,所以以落地速度最大值5m/s計算能得出最小高度,再以這個高度計算在空中的時間就是最短時間。
打開傘后由于空氣阻力的影響開始做勻減速直線運動,加速度大小已知,這個地方需要設(shè)正方向。題目中要求落地時的速度最大不能超過5m/s,也就是勻減速直線運動的末速度最大為5m/s,以5m/s這個數(shù)值結(jié)合加速度進(jìn)行計算,要求打開傘的高度,也就是做勻變速直線運動的位移,還需要知道時間或者初速度,勻減速直線運動的初速度就是自由落體的末速度,此時對于第一段自由落體運動只知道加速度,還需要知道時間或者自由落體的高度。兩個階段的總位移剛好是直升機距離地面的高度。
解:以向下為正方向,設(shè)自由落體階段的位移為,所用時間為
,末速度為
,勻減速直線運動階段高度為
,初速度為
,所用時間為
,已知自由落體加速度
,勻減速直線運動加速度
,末速度
,總高度
。
由題意得
總高度,
自由落體高度
勻減速直線運動高度
解方程得
打開降落傘時距離地面的高度為99m。
自由落體階段高度,由公式
得
;
勻減速直線運動階段初速度,由公式
得
;
所以在空中的總時間
運動員在空中的最短時間是8.6s。
總結(jié)
在解決多段運動的問題時,注意觀察題目的條件,主要找到同一段運動的三個已知物理量,就可以求出剩下的兩個物理量;如果不能找齊三個已知物理量,那么就要從幾段運動之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系上入手,常見的關(guān)系有三種:一、運動的位移之和為總位移;二、運動的時間和等于總時間;三、前一段的末速度等于后一段的初速度。使用這些關(guān)系列出式子就可以解方程組求解了。