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当两个物体在一条平直的路面上一前一后前进时,如果某一时刻两个物体到达同一位置,这便是常见的追赶问题. 以下是追赶问题的几种行之有效的解题方法。
一、妙用结论
在追赶问题中,有一个很重要的结论:一个做匀速直线运动(或做匀变速直线运动)的物体追赶另一个做匀变速直线运动的物体,当它们的速度相同时,其间的距离取得极值.
例1 相距20m的两个小球[A、B]沿同一直线同时向右运动,[A]球以2m/s的速度做匀速直线运动,[B]球以2.5m/s2的加速度做匀减速运动,求[B]球的初速度[v0]多大时,[B]球恰能赶上[B]球.
解析 当[B]球速度等于[A]球速度时,[A、B]两球相距最近,若此时追不上,再往后就不可能追上了. 若此时恰好追上,则有
[v0-at=vA]
[v0t-12at2=vAt+s0]
把[vA=2m/s], [s0=20m], [a=2.5m/s2]代入上述两式,可求得[v0=12m/s].
二、判别式法
例2 火车以速度[v1]匀速行驶,司机发现正前方同轨道上相距[s]处有另一火车沿同方向以[v2](对地,且[v1>v2])做匀速直线运动,司机立即以加速度[a]紧急刹车,要使两车不相撞,[a]应满足什么条件?
解析 设经过时间[t]两车不相撞,则有
[v1t-12at2 即[12at2-(v1-v2)t+s>0]
因[a2>0],对于任何[t],要使不等式成立,则有[△<0],即
[(v1-v2)2-4×a2×s<0]
解之,得[a>(v1-v2)22s].
三、比较讨论法
例3 在一条平直的公路上,甲车在前以12m/s的速度匀速行驶,乙车在后以8m/s的速度同向匀速行驶,当相距[s=16m]时甲车刹车,刹车的加速度为4m/s2,乙车仍然速度不变地做匀速运动. 则经过多长时间乙车追上甲车?追及处离甲车开始刹车时的位置有多远?
错解 设经过时间[t]乙车追上甲车,则有[v甲t-12at2=v乙t],即[12t-12×4×t2+16=8t],解之,得[t=4s]或[t=-2s] (舍去).
所以追及处距甲车刹车的地方距离为
[s=v甲t-12at2]=12m
剖析 表面上看上述求解过程无懈可击,但仔细分析就会发现:设甲车经过[t0]静止,则[0=v甲-at0],所以[t0=3s],显然[t=4s>t0=3s],这说明甲车在4s内并不是一直在运动. 因此上述解法是错误的.
解析 设甲车经过[t0]时间停下来,则有[0=v甲][-at0],可求得[t0=3s]. 在3s内,乙车与甲车的位移分别为:[s乙=v乙t0=24m],[s甲=12(0+v)t0=18m]. 因为[s乙=24m 设甲车追上乙车共经时间[t],则有[v乙t=s+s甲],所以[t=4.25s]. 显然追及处离甲车开始刹车的位置有18m.
四、图象法
例4 两辆完全相同的汽车沿水平直路一前一后匀速行驶,速度均为[v0],若前车突然以恒定的加速度刹车,在它刚停下来时,后车以前车刹车时的加速度开始刹车. 已知前车在刹车过程中所行驶的的距离为[s],若要保证两辆车在上述情况中不相撞,则两车在匀速行驶时保持的距离至少为多少?
A. [s] B. [2s] C. [3s] D. [4s]
解析 以前车开始刹车时刻为零时刻,作出两车运动的[v-t]图象如图1.由图象可知,后车的总位移为[3s],所以[△s=3s-s=2s]. 正确的选项为B项.
[后车][前车]
图1
例5 甲、乙两物体同时从[A]点出发,甲做匀速直线运动,[v甲=3m/s],乙先做初速为零的匀加速直线运动,加速度为[a=]3m/s2,速度达到某一值后,再做匀减速直线运动,其加速度[a′=]2m/s2,当速度减小到零时,甲、乙同时到达[B]点. 问:
(1)甲、乙在运动过程中何时相距最近?最近距离为多少?
(2)甲、乙在运动过程中何时相距最远?最远距离为多少?
解析 (1)根据题意作出两物体的[v-t]图象如图2.
[甲][乙]
图2
乙在加速阶段:设经过[t1],甲的速度与乙的速度相等,即3m/s=3m/s2·[t1],则[t1=1s]. 根据题意,在[t2=2t1=2s]时刻,甲、乙相遇,此时[vm=at2=]6m/s. 因此甲、乙在[t2=2s]时刻相距最近,距离为零.
(2)根据题意,乙在加速阶段[t1=1s]时刻,乙与甲相距的距离有极大值
[△s1=v甲t1-12at21=(3×1-12×3×12)m=1.5m]
乙在减速阶段,设乙从最大速度减速到与甲速度相等时所用时间为[△t],所以
[v甲=vm-a′△t],代入已知数据可求得[△t=]1.5s.
此时两物体相距的最大距离为极大值
[Δs2=(v][△t-12a△t2)-v甲△t=2.25m]
比较[△s1]与[△s2]后,甲、乙相距最远的时刻是3.5s,且最大距离
[△sm=△s2=2.25m]
一、妙用结论
在追赶问题中,有一个很重要的结论:一个做匀速直线运动(或做匀变速直线运动)的物体追赶另一个做匀变速直线运动的物体,当它们的速度相同时,其间的距离取得极值.
例1 相距20m的两个小球[A、B]沿同一直线同时向右运动,[A]球以2m/s的速度做匀速直线运动,[B]球以2.5m/s2的加速度做匀减速运动,求[B]球的初速度[v0]多大时,[B]球恰能赶上[B]球.
解析 当[B]球速度等于[A]球速度时,[A、B]两球相距最近,若此时追不上,再往后就不可能追上了. 若此时恰好追上,则有
[v0-at=vA]
[v0t-12at2=vAt+s0]
把[vA=2m/s], [s0=20m], [a=2.5m/s2]代入上述两式,可求得[v0=12m/s].
二、判别式法
例2 火车以速度[v1]匀速行驶,司机发现正前方同轨道上相距[s]处有另一火车沿同方向以[v2](对地,且[v1>v2])做匀速直线运动,司机立即以加速度[a]紧急刹车,要使两车不相撞,[a]应满足什么条件?
解析 设经过时间[t]两车不相撞,则有
[v1t-12at2
因[a2>0],对于任何[t],要使不等式成立,则有[△<0],即
[(v1-v2)2-4×a2×s<0]
解之,得[a>(v1-v2)22s].
三、比较讨论法
例3 在一条平直的公路上,甲车在前以12m/s的速度匀速行驶,乙车在后以8m/s的速度同向匀速行驶,当相距[s=16m]时甲车刹车,刹车的加速度为4m/s2,乙车仍然速度不变地做匀速运动. 则经过多长时间乙车追上甲车?追及处离甲车开始刹车时的位置有多远?
错解 设经过时间[t]乙车追上甲车,则有[v甲t-12at2=v乙t],即[12t-12×4×t2+16=8t],解之,得[t=4s]或[t=-2s] (舍去).
所以追及处距甲车刹车的地方距离为
[s=v甲t-12at2]=12m
剖析 表面上看上述求解过程无懈可击,但仔细分析就会发现:设甲车经过[t0]静止,则[0=v甲-at0],所以[t0=3s],显然[t=4s>t0=3s],这说明甲车在4s内并不是一直在运动. 因此上述解法是错误的.
解析 设甲车经过[t0]时间停下来,则有[0=v甲][-at0],可求得[t0=3s]. 在3s内,乙车与甲车的位移分别为:[s乙=v乙t0=24m],[s甲=12(0+v)t0=18m]. 因为[s乙=24m
四、图象法
例4 两辆完全相同的汽车沿水平直路一前一后匀速行驶,速度均为[v0],若前车突然以恒定的加速度刹车,在它刚停下来时,后车以前车刹车时的加速度开始刹车. 已知前车在刹车过程中所行驶的的距离为[s],若要保证两辆车在上述情况中不相撞,则两车在匀速行驶时保持的距离至少为多少?
A. [s] B. [2s] C. [3s] D. [4s]
解析 以前车开始刹车时刻为零时刻,作出两车运动的[v-t]图象如图1.由图象可知,后车的总位移为[3s],所以[△s=3s-s=2s]. 正确的选项为B项.
[后车][前车]
图1
例5 甲、乙两物体同时从[A]点出发,甲做匀速直线运动,[v甲=3m/s],乙先做初速为零的匀加速直线运动,加速度为[a=]3m/s2,速度达到某一值后,再做匀减速直线运动,其加速度[a′=]2m/s2,当速度减小到零时,甲、乙同时到达[B]点. 问:
(1)甲、乙在运动过程中何时相距最近?最近距离为多少?
(2)甲、乙在运动过程中何时相距最远?最远距离为多少?
解析 (1)根据题意作出两物体的[v-t]图象如图2.
[甲][乙]
图2
乙在加速阶段:设经过[t1],甲的速度与乙的速度相等,即3m/s=3m/s2·[t1],则[t1=1s]. 根据题意,在[t2=2t1=2s]时刻,甲、乙相遇,此时[vm=at2=]6m/s. 因此甲、乙在[t2=2s]时刻相距最近,距离为零.
(2)根据题意,乙在加速阶段[t1=1s]时刻,乙与甲相距的距离有极大值
[△s1=v甲t1-12at21=(3×1-12×3×12)m=1.5m]
乙在减速阶段,设乙从最大速度减速到与甲速度相等时所用时间为[△t],所以
[v甲=vm-a′△t],代入已知数据可求得[△t=]1.5s.
此时两物体相距的最大距离为极大值
[Δs2=(v][△t-12a△t2)-v甲△t=2.25m]
比较[△s1]与[△s2]后,甲、乙相距最远的时刻是3.5s,且最大距离
[△sm=△s2=2.25m]