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高中物理 勻變速直線運動的研究——豎直方向上的相遇問題再討論

2023-07-23 10:23 作者:南宮很二  | 我要投稿

上一節(jié)講了豎直方向上的相遇問題的一般情況,這一節(jié)討論一下更復雜一些的相遇問題??磦€例題。

球A從距離地面高度為H的地方自由下落,同時球B從球A的正下方以初速度v_0向上做豎直上拋運動。請問(1)要想在球B上升的過程中兩球相遇,v_0的取值范圍?(2)要想在球B下降的過程中兩球相遇,v_0的取值范圍?

分析:A球做自由落體運動,方向始終豎直向下;B球做豎直上拋運動,上升階段方向豎直向上,如果在這個階段相遇,那么兩球的運動距離之和應(yīng)該等于A球一開始距離地面的高度H,相遇的時間可以由B球求得。

B球下降階段方向豎直向下,如果在這個階段相遇,那么A球距出發(fā)點的距離+B球距出發(fā)點的距離=H,由于條件的限制,下降階段的時間求不出來,所以取極限位置(B球剛好回到出發(fā)的位置時A球追上B球)的速度來求時間,由于豎直上拋運動的對稱性,此時速度大小和v_0大小相等,方向相反,可以求出相遇時間。

以上是按照以地面為參考系進行的分析,過程稍有一點復雜,由于兩球的加速度相等,相對加速度就為零,以A球為參考系,B球就以v_0做勻速直線運動,使用變換參考系的方法可以將問題簡單化。

解:(1)以地面為參考系,B球上升到最高點所用的時間由公式v_t%3Dv_0-gtt%3D%5Cfrac%7Bv_t-v_0%7D%7B-g%7D%3D%5Cfrac%7B0-v_0%7D%7B-g%7D%20%3D%5Cfrac%7Bv_0%7D%7Bg%7D%20%20,此時A球移動的距離h_1%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20,B球移動的距離為h_2%3Dv_0t-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20,由相遇的位置關(guān)系可知h_1%2Bh_2%3DH,聯(lián)立各式可得v_0%3D%5Csqrt%7BgH%7D%20由題意可知當v_0%EF%B9%A5%5Csqrt%7BgH%7D%20時,兩球在上升階段相遇。

(2)以地面為參考系,取極限相遇位置,B球回到出發(fā)點所用的時間由公式v_t%3Dv_0-gtt%3D%5Cfrac%7Bv_t-v_0%7D%7B-g%7D%3D%5Cfrac%7B-v_0-v_0%7D%7B-g%7D%20%20%3D%5Cfrac%7B%202v_0%7D%7Bg%7D%20

此時A球移動的距離h_1%3D%5Cfrac%7B%201%7D%7B2%7Dgt%5E2,B球距出發(fā)點的距離為h_2%3Dv_0t-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2,由相遇的位置關(guān)系可知h_1%2Bh_2%3DH,聯(lián)立各式可得v_0%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BgH%7D%7B2%7D%20%7D%20由題意可知當%5Csqrt%7BgH%7D%EF%B9%A4v_0%EF%B9%A4%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BgH%7D%7B2%7D%20%7D%20%20時,兩球在下降階段相遇。

再來看一下變換參考系的解法

以A球為參考系,A球靜止,B球向著A做速度為v_0的勻速直線運動,兩者相遇時間t_3%3D%5Cfrac%7BH%7D%7Bv_0%7D%20,B球上升階段所用的時間t_1%3D%5Cfrac%7Bv_t-v_0%7D%7B-g%7D%3D%5Cfrac%7B%200-v_0%7D%7B-g%7D%3D%20%20%5Cfrac%7Bv_0%7D%7Bg%7D%20,所以只要t_3%EF%B9%A5t_1即可,解得v_0%EF%B9%A5%5Csqrt%7BgH%7D%20;根據(jù)豎直上拋運動的對稱性可知下落回地面的時間t_2%3D2t_1,所以只要t_1%EF%B9%A4t_3%EF%B9%A4t_2即可,解得%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BgH%7D%7B2%7D%20%7D%EF%B9%A4v_0%EF%B9%A4%5Csqrt%7BgH%7D%20%20。

總結(jié)

研究相遇問題,一般先分開研究每個物體的運動情況,再合在一起看位置關(guān)系。豎直方向上的相遇問題,自由落體運動和豎直上拋運動由于加速度相等,利用變換參考系的方法可以題目變得簡單。


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