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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

2023-06-19 18:03 作者:南宮很二  | 我要投稿

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v_t%3Dv_0%2Bat,位移與時間的關(guān)系x%3Dv_0t%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat%5E2%20,速度與位移的關(guān)系v_t%5E2-v_0%5E2%3D2ax。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v_0%EF%BC%8Cv_t%EF%BC%8Ca%EF%BC%8Ct%EF%BC%8Cx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12.5m%2Fs%5E2,為了安全考慮,運動員落地時速度最大不能超過5m%2Fs,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?(g%3D10m%2Fs%5E2

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h_1,所用時間為t_1,末速度為v_1,勻減速直線運動階段高度為h_2,初速度為v_2,所用時間為t_2,已知自由落體加速度g%3D10m%2Fs%5E2,勻減速直線運動加速度a%3D-12.5m%2Fs%5E2,末速度v_3%3D5m%2Fs,總高度h%3D224m。

由題意得

總高度h%3Dh_1%2Bh_2,v_1%3Dv_2

自由落體高度v_1%5E2%3D2gh_1

勻減速直線運動高度v_3%5E2-v_2%5E2%3D2gh_2

解方程得v_1%3Dv_2%3D50m%2Fs%EF%BC%8Ch_1%3D125m%EF%BC%8Ch_2%3D99m

打開降落傘時距離地面的高度為99m。

自由落體階段高度h_1%3D125m,由公式h%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20t_1%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B2h_1%7D%7Bg%7D%20%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B2%5Ctimes%20125m%7D%7B10m%2Fs%5E2%7D%20%7D%20%20%3D5s;

勻減速直線運動階段初速度v_2%3D50m,由公式v_t%3Dv_0%2Batt%3D%5Cfrac%7Bv_t-v_0%7D%7Ba%7D%3D%5Cfrac%7B5m%2Fs-50m%2Fs%7D%7B-12.5m%2Fs%5E2%7D%20%20%3D3.6s;

所以在空中的總時間t%3Dt_1%2Bt_2%3D5s%2B3.6s%3D8.6s

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。

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