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巧选参考系解相遇追及问题
“合二为一”法——巧选参考系解相遇追及问题卓越教育 区晓毅参考系不仅是描述物体运动的基本物理量,还是一个很高效的解题工具。尤其针对物体直线运动的相遇和追及问题,选取适当的参考系,可以将两个物体的运动过程简化为一个相对的运动过程,简便解题过程。以下分析几个例题:例一、有一列火车因蒸汽不足而停驶,驾驶员把货车厢甲留在现场,只拖着几节车厢向前方不远的车站开进,但他忘了将货车厢刹好,使车厢在斜坡上以4m/s的速度匀速后退,此时另一列火车乙正以16m/s的速度向该货车厢驶来,驾驶技术相当好的驾驶员波尔西列夫立即刹车,紧接着加速倒退,结果恰好接住了货车厢甲,从而避免了相撞。设列车乙刹车过程和加速倒退过程均为匀变速直线运动,且加速度大小均为2 m/s2,求当波尔西列夫发现货车厢甲向自己驶来而立即开始刹车时,两车相距多远?【解法一】乙车先匀减速后匀加速,减速至速度为零的过程,用时t==8s 乙车在此时间内位移为s1==64m 乙车反向匀加速的过程,到恰好接往甲车(此时两车速度相等)的过程,用时 t2==2s 乙车在此时间内位移为s2==4m 在t=tl+t2=(8+2)s=10s时间里,甲车位移 s甲=V甲×t=4×10m=40m 两车相距为S=s甲+s1-s2=40+64-4=100m 【解法二】选取甲车为参考系。乙车的初速度V1=v乙-v甲=20m/s乙车的末速度V2=0(相对于甲车静止)乙车的加速度a=a乙-a甲 = -2m/s2所以s==100m,即两车开始时相距100m分析:解法一为常规解法,需要辨析两车不同的运动情况,在分别计算甲乙两车的运动时间和位移,最后再需通过上述的计算结果合计得出两车的相隔距离。解题过程较为复杂,计算量偏大。而解法二巧取了甲车作为参考系,根据参考系的特点,即将甲车看作静止,仅考虑乙车相对于甲车的运动情况。只需通过一步计算位移,即可得到题目所求的两车距离。例二、在铁轨上有甲、乙两列列车,甲车在前,乙车在后,分别以速度v1=15m/s,v2=40m/s做同向匀速运动,当甲、乙间距为1500m时,乙车开始刹车做匀减速运动,加速度大小为0.2m/s2,问:乙车能否追上甲车?【解法一】因为V乙V甲,所以两车的距离在减小因为乙车在减速,当V乙=V甲时,即乙车速度减为v1=15m/s时,设用的时间为t,则有V1=v2-att=(v2-v1)/a=125s在t内乙车的位移为S2= =3437.5m在t内甲车的位移为S1= v1t=1875m因为s2-s11500m,所以乙车能追上甲车。【解法二】以甲车为参考系。乙车的初速度V1=v乙-v甲=25m/s乙车的末速度V2=0(甲乙两车速度相等,即相对静止)乙车的加速度a=a乙-a甲 = -0.2m/s2所以s==1562.5m,s1500m,即乙车能追上甲车。例三、天花板上吊一根长L=1m的棍子,在它开始自由下落的同时,地面上有一只小球竖直上抛,t1=0.5s时,棍的下端和小球在同一高度,小球经过棍长的时间为Δt=0.1s,求:(g=10m/s2)(1)小球上抛的初速度;(2)天花板离地的高度【解法一】(1)设小球上抛时的初速度为Vo t1=0.5s时,小球的速度 V1=-gt1+Vo 棍子的速度 V2=-gt1在小球经过棍长的时间为Δt=0.1s内,小球的位移s1=v1×Δt +1/2×(-g)×Δt2棍子的位移s2= v2×Δt +1/2×g×Δt2棍长L=s1+s2代入解得,小球上抛时的初速度为10m/s。 (2)在棍的下端和小球相遇时,小球的位移s3= Vo×t1+1/2×(-g)×t12棍子的位移s4=1/2×g×t12天花板离地的高度H=L+ s3+ s4解得,H=6m【解法二】以棍子为参考系。小球的加速度a=g-g=0,即小球相对于棍子做匀速运动,方向竖直向上。(1)设小球上抛时的初速度为Vo L=Vo×Δt解得Vo=10m/s(2)H= Vo×(t1+Δt)=6m分析:这道题目选取适当的参考系,所带来的简便性是很明显的。解法一需要分阶段,分物体考虑运动情况,思维过程较为复杂,考虑过多的细节。而解法二,选取棍子作为参考系,就将棍子和小球的运动情况都合二为一,单一考虑小球的相对运动即可。而这条题目更为典型,将自由落体和竖直上抛两个匀变速运动化简为一个物体的匀速运动,十分简便快捷。总结:对于物体直线运动的相遇和追及问题,涉及至少两个物体的运动,情况较为复杂,需要考虑同时段两物体的不同运动情况。而这里提出的“合二为一”法,选取其中一个运动物体作为参考系,可以将整个运动过程简化为一个物体的相对运动,计算量可以至少减半。用“合二为一”法解直线运动问题时,特别要注意,速度,加速度,位移的相对性和一致性。而相遇和追及问题,常见“能否追上”“相遇的时间位置”等,关于临界条件可
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