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1、第一單元質(zhì)點的運動
[內(nèi)容和措施]
本單元內(nèi)容涉及位移、路程、時間、時刻、平均速度、即時速度、線速度、角速度、加速度等基本概念,以及勻變速直線運動的規(guī)律、平拋運動的規(guī)律及圓周運動的規(guī)律。在學(xué)習(xí)中要注意精確理解位移、速度、加速度等基本概念,特別應(yīng)當(dāng)理解位移與距離(路程)、速度與速率、時間與時刻、加速度與速度及速度變化量的不同。
本單元中所波及到的基本措施有:運用運動合成與分解的措施研究平拋運動的問題,這是將復(fù)雜的問題運用分解的措施將其劃分為若干個簡樸問題的基本措施;運用物理量間的函數(shù)關(guān)系圖像研究物體的運動規(guī)律的措施,這也是形象、直觀的研究物理問題的一種基本措施。這些具體措施中所涉及的思想,
2、在整個物理學(xué)研究問題中都是常常用到的。因此,在學(xué)習(xí)過程中要特別加以體會。
[典型易錯題分析]
在本單元知識應(yīng)用的過程中,初學(xué)者常犯的錯誤重要表目前:對要領(lǐng)理解不深刻,如加速度的大小與速度大小、速度變化量的大小,加速度的方向與速度的方向之間常混淆不清;對位移、速度、加速度這些矢量運算過程中正、負號的使用浮現(xiàn)混亂:在未對物體運動(特別是物體做減速運動)過程進行精確分析的狀況下,盲目地套公式進行運算等。
例1、汽車以10m/s的速度行駛5分鐘后忽然剎車。如剎車過程是做勻變速運動,加速度大小為5m/s2,則剎車后3秒鐘內(nèi)汽車所走的距離是多少?
【錯解分析】錯解:由于汽車剎車過程做勻減速直線運動
3、,初速v0=10m/s加速度
浮現(xiàn)以上錯誤有兩個因素。一是對剎車的物理過程不清晰。當(dāng)速度減為零時,車與地面無相對運動,滑動摩擦力變?yōu)榱?。二是對位移公式的物理意義理解不深刻。位移S相應(yīng)時間t,這段時間內(nèi)a必須存在,而當(dāng)a不存在時,求出的位移則無意義。由于第一點的不理解以致覺得a永遠地存在;由于第二點的不理解以致有思考a什么時候不存在。
【對的解答】依題意畫出運動草圖1-1。設(shè)經(jīng)時間t1速度減為零。據(jù)勻變速直線運動速度公式v1=v0+at則有0=10-5t解得t=2S由于汽車在2S時
【小結(jié)】物理問題不是簡樸的計算問題,當(dāng)?shù)贸龀晒螅瑧?yīng)思考與否與s=-30
4、m的成果,這個成果是與實際不相符的。應(yīng)思考在運用規(guī)律中與否浮現(xiàn)與實際不符的問題。
本題還可以運用圖像求解。汽車剎車過程是勻減速直線運動。據(jù)v0,a
由此可知三角形v0Ot所包圍的面積即為剎車3s內(nèi)的位移。
例2、一種物體從塔頂落下,在達到地面前最后一秒內(nèi)通過的位移為整個位移的9/25,求塔高(g=10m/s2)。
【錯解分析】錯解:由于物體從塔頂落下,做自由落體運動。
解得H=13.9m
物體從塔頂落下時,對整個過程而言是初速為零的勻加速直線運動。而對部分最后一秒內(nèi)物體的運動則不能視為初速為零的勻加速直線運動。由于最后一秒內(nèi)的初始時刻物體具有一定的初速,由于
5、對整體和部分的關(guān)系不清,導(dǎo)致物理規(guī)律用錯,形成錯解。
【對的解答】根據(jù)題意畫出運動草圖,如圖1-3所示。物體從塔頂落到地面所經(jīng)歷時間為t,通過的位移為H物體在t—1秒內(nèi)的位移為h。由于V0=0
由①②③解得H=125m
【小結(jié)】解決勻變速直線運動問題時,對整體與局部,局部與局部過程互相關(guān)系的分析,是解題的重要環(huán)節(jié)。如本題初位置記為A位置,t—1秒時記為B位置,落地點為C位置(如圖1-2所示)。不難看出既可以把BC段當(dāng)作整體過程AC與局部過程AB的差值,也可以把BC段看做是物體以初速度VB和加速度g向下做為時1s的勻加速運動,而vB可當(dāng)作是局部過程AB的末速度。這樣分析就會發(fā)現(xiàn)其中某些
6、隱含條件。使得求解以便。
此外值得一提的是勻變速直線運動的問題有諸多題通過v-t圖求解既直觀又以便簡潔。如本題依題意可以做出v-t圖(如圖1-4),由題意
例3、氣球以10m/s的速度勻速豎直上升,從氣球上掉下一種物體,經(jīng)17s達到地面。求物體剛脫離氣球時氣球的高度。(g=10m/s2)
【錯解分析】錯解:物體從氣球上掉下來達到地面這段距離即為物體脫離氣球時,氣球的高度。
因此物體剛脫離氣球時,氣球的高度為1445m。
由于學(xué)生對慣性定律理解不深刻,導(dǎo)致對題中的隱含條件即物體離開氣球時具有向上的初速度視而不見。誤覺得v0=0。實際物體隨氣球勻速上升時,物體具有向上10m/s的速度
7、當(dāng)物體離開氣球時,由于慣性物體繼續(xù)向上運動一段距離,在重力作用下做勻變速直線運動。
【對的解答】本題既可以用整體解決的措施也可以分段解決。
措施一:可將物體的運動過程視為勻變速直線運動。根據(jù)題意畫出運動草圖如圖1-5所示。規(guī)定向下方向為正,則V0=-10m/s,g=10m/s2
∴物體剛掉下時離地1275m。
措施二:如圖1-5將物體的運動過程分為A→B→C和C→D兩段來解決。A→B→C為豎直上拋運動,C→D為豎直下拋運動。
在A→B→C段,據(jù)豎直上拋規(guī)律可知此階段運動時間為
由題意知tCD=17-2=15(s)
=1275(m)
措施三:根據(jù)題意作出物體脫離氣
8、球到落地這段時間的V-t圖(如圖1-6所示)。
其中△v0otB的面積為A→B的位移
△tBtcvc的面積大小為B→C的位移
梯形tCtDvDvC的面積大小為C→D的位移即物體離開氣球時距地的高度。
則tB=1s根據(jù)豎直上拋的規(guī)律tc=2s,tB-tD=17-1=16(s)
在△tBvDtD中則可求vD=160(m/s)
【小結(jié)】在解決運動學(xué)的問題過程中,畫運動草圖很重要。解題前應(yīng)根據(jù)題意畫出運動草圖。草圖上一定要有規(guī)定的正方向,否則矢量方程解決問題就會浮現(xiàn)錯誤。如分析解答措施一中不規(guī)定正方向,就會浮現(xiàn)
例4有一種物體在h高處,以水平初速度v0拋出,落地時的速度為
9、v1,豎直分速度為vy,下列公式能用來計算該物體在空中運動時間的是【 】
形成以上錯誤有兩個因素。第一是模型與規(guī)律配套。Vt=v0+gt是勻加速直線運動的速度公式,而平拋運動是曲線運動,不能用此公式。第二不理解運動的合成與分解。平拋運動可分解為水平的勻速直線運動和豎直的自由落體運動。每個分運動都相應(yīng)自身運動規(guī)律。
【對的解答】本題的對的選項為A,C,D。
平拋運動可分解為水平方向的勻速運動和豎直方向的自由落體,分運動與合運動時間具有等時性。
水平方向:x=v0t①
據(jù)式①~⑤知A,C,D對的。
【小結(jié)】選擇運動公式一方面要判斷物體的運動性質(zhì)。運動性質(zhì)擬定了,模型擬定
10、了,運動規(guī)律就擬定了。判斷運動性要根據(jù)合外力和初速度的關(guān)系。當(dāng)合外力與初速度共線時,物體做直線運動,當(dāng)合外力與v不共線時,物體做曲線運動。當(dāng)合外力與v0垂直且恒定期,物體做平拋運動。當(dāng)物體總與v垂直時,物體做圓運動。
例5、正在高空水平勻速飛行的飛機,每隔1s釋放一種重球,先后共釋放5個,不計空氣阻力,則【 】
A.這5個小球在空中排成一條直線
B.這5個小球在空中處在同一拋物線上
C.在空中,第1,2兩個球間的距離保持不變
D.相鄰兩球的落地間距相等
【錯解分析】錯解:由于5個球先后釋放,因此5個球在空中處在同一拋物線上,又由于小球都做自由落體運動,因此C選項對的。
形成錯
11、解的因素是只注意到球做平拋運動,但沒有理解小球做平拋的時間不同,因此它們在不同的拋物線上,小球在豎直方向做自由落體運動,但是先后不同。因此C選項不對。
【對的解答】釋放的每個小球都做平拋運動。水平方向的速度與飛機的飛行速度相等,在水平方向做勻速直線運動,在豎直方向上做自由落體運動,只是開始的時刻不同。飛機和小球的位置如圖1-7可以看出A,D選項對的。
【小結(jié)】解此類題時,決不應(yīng)是想固然,而應(yīng)根據(jù)物理規(guī)律畫出運動草圖,這樣會有很大的協(xié)助。如本題水平方向每隔1s過位移同樣,投小球水平間距相似,抓住特點畫出各個球的軌跡圖,這樣答案就呈現(xiàn)出來了。
例6、經(jīng)檢測汽車A的制動性能:以原則速度
12、20m/s在平直公路上行駛時,制動后40s停下來?,F(xiàn)A在平直公路上以20m/s的速度行駛發(fā)現(xiàn)前方180m處有一貨車B以6m/s的速度同向勻速行駛,司機立即制動,能否發(fā)生撞車事故?
【錯解分析】錯解:設(shè)汽車A制動后40s的位移為s1,貨車B在這段時
S2=v2t=6×40=240(m)
兩車位移差為400-240=160(m)
由于兩車剛開始相距180m>160m
因此兩車不相撞。
這是典型的追擊問題。核心是要弄清不相撞的條件。汽車A與貨車B同速時,兩車位移差和初始時刻兩車距離關(guān)系是判斷兩車能否相撞的根據(jù)。當(dāng)兩車同速時,兩車位移差不小于初始時刻的距離時,兩車相撞;不不小于、等于時
13、,則不相撞。而錯解中的判據(jù)條件錯誤導(dǎo)致錯解。
【對的解答】如圖1-8汽車A以v0=20m/s的初速做勻減速直線運動經(jīng)40s停下來。據(jù)加速度公式可求出a=-0.5m/s2當(dāng)A車減為與B車同速時是A車逼近B車距離最多的時刻,這時若能超過B車則相撞,反之則不能相撞。
△S=364-168=196>180(m)
因此兩車相撞。
【小結(jié)】分析追擊問題應(yīng)把兩物體的位置關(guān)系圖畫好。如圖1—8,通過此圖理解物理情景。本題也可以借圖像協(xié)助理解圖1-9中。陰影區(qū)是A車比B車多通過的最多距離,這段距離若能不小于兩車初始時刻的距離則兩車必相撞。不不小于、等于則不相撞。從圖中也可以看出A車速度成為零時,
14、不是A車比B車多走距離最多的時刻,因此不能作為臨界條件分析。
例7、如圖1-10所示,一人站在岸上,運用繩和定滑輪,拉船靠岸,在某一時刻繩的速度為v,繩AO段與水平面夾角為θ,不計摩擦和輪的質(zhì)量,則此時小船的水平速度多大?
【錯解分析】錯解:將繩的速度按圖1-11所示的措施分解,則v1即為船的水平速度v1=v·cosθ。
上述錯誤的因素是沒有弄清船的運動狀況。事實上船是在做平動,每一時刻船上各點均有相似的水平速度。而AO繩上各點運動比較復(fù)雜,既有平動又有轉(zhuǎn)動。以連接船上的A點來說,它有沿繩的平動分速度v,也有與v垂直的法向速度vn,即轉(zhuǎn)動分速度,A點的合速度vA即為兩個分速度的和
15、。vA=v/cosθ
【對的解答】措施一:小船的運動為平動,而繩AO上各點的運動是平動+轉(zhuǎn)動。以連接船上的A點為研究對象,如圖1-12,A的平動速度為v,轉(zhuǎn)動速度為vn,合速度vA即與船的平動速度相似。則由圖可以看出vA=v/cosθ。
【小結(jié)】措施二:我們可以把繩子和滑輪看作抱負機械。人對繩子做的功等于繩子對船做的功。我們所研究的繩子都是輕質(zhì)繩,繩上的張力相等。對于繩上的C點來說即時功率P人繩=F·v。對于船上A點來說P繩船=FvA
解答的措施一,也許學(xué)生不易理解繩上各點的運動。從能量角度來講也可以得到同樣的結(jié)論。還應(yīng)指出的是要有實際力、實際加速度、實際速度才可分解。
例8、一條
16、寬為L的河流,河水流速為v1,船在靜水中的速度為v2,要使船劃到對岸時航程最短,船頭應(yīng)指向什么方向?最短航程是多少?
【錯解分析】錯解:要使航程最短船頭應(yīng)指向與岸垂直的方向。最短航程為L。
上而錯解的因素是對運動的合成不理解。船在水中航行并不是船頭指向什么方向就向什么方向運動。它的運動方向是船在靜水中的速度方向與水流方向共同決定的。要使航程最短應(yīng)是合速度垂直于岸。
【對的解答】題中沒有給出v1與v2的大小關(guān)系,因此應(yīng)考慮如下也許狀況。
此種狀況下航程最短為L。
②當(dāng)v2<v1時,如圖1-14船頭斜向上游,與岸夾角為θ時,用三角形法則分析當(dāng)它的方向與圓相切時,航程最短,設(shè)為S,
17、由幾何關(guān)系可知此時v2⊥v(合速度)(θ≠0)
③當(dāng)v2=v1時,如圖1-15,θ越小航程越短。(θ≠0)
【小結(jié)】航程最短與時間最短是兩個不同概念。航程最短是指合位移最小。時間最短是指用最大垂直河岸的速度過河的時間。解決此類問題的根據(jù)就是合運動與分運動的等時性及兩個方向運動的獨立性。
例9、物塊從光滑曲面上的P點自由滑下,通過粗糙的靜止水平傳送帶后來落到地面上的Q點,若傳送帶的皮帶輪沿逆時針方向轉(zhuǎn)動起來,使傳送帶隨之運動,如圖1-16所示,再把物塊放到P點自由滑下則【 】
A.物塊將仍落在Q點
B.物塊將會落在Q點的左邊
C.物塊將會落在Q點的右邊
D.物塊有也許落不到
18、地面上
【錯解分析】錯解:由于皮帶輪轉(zhuǎn)動起來后來,物塊在皮帶輪上的時間長,相對皮帶位移變大,摩擦力做功將比皮帶輪不轉(zhuǎn)動時多,物塊在皮帶右端的速度將不不小于皮帶輪不動時,因此落在Q點左邊,應(yīng)選B選項。
學(xué)生的錯誤重要是對物體的運動過程中的受力分析不精確。實質(zhì)上當(dāng)皮帶輪逆時針轉(zhuǎn)動時,無論物塊以多大的速度滑下來,傳送帶給物塊施的摩擦力都是相似的,且與傳送帶靜止時同樣,由運動學(xué)公式知位移相似。從傳送帶上做平拋運動的初速相似。水平位移相似,落點相似。
【對的解答】物塊從斜面滑下來,當(dāng)傳送帶靜止時,在水平方向受到與運動方向相反的摩擦力,物塊將做勻減速運動。離開傳送帶時做平拋運動。當(dāng)傳送帶逆時針轉(zhuǎn)動時
19、物體相對傳送帶都是向前運動,受到滑動摩擦力方向與運動方向相反。物體做勻減速運動,離開傳送帶時,也做平拋運動,且與傳送帶不動時的拋出速度相似,故落在Q點,因此A選項對的。
【小結(jié)】若此題中傳送帶順時針轉(zhuǎn)動,物塊相對傳送帶的運動狀況就應(yīng)討論了。
(1)當(dāng)v0=vB物塊滑究竟的速度等于傳送帶速度,沒有摩擦力作用,物塊做勻速運動,離開傳送帶做平拋的初速度比傳送帶不動時的大,水平位移也大,因此落在Q點的右邊。
(2)當(dāng)v0>vB物塊滑究竟速度不不小于傳送帶的速度,有兩種狀況,一是物塊始終做勻加速運動,二是物塊先做加速運動,當(dāng)物塊速度等于傳送帶的速度時,物體做勻速運動。這兩種狀況落點都在Q點右邊。
(3)v0<vB當(dāng)物塊滑上傳送帶的速度不小于傳送帶的速度,有兩種狀況,一是物塊始終減速,二是先減速后勻速。第一種落在Q點,第二種落在Q點的右邊。