全套更高更妙的物理竞赛ppt课件竞赛课件4：矢量图解运动问题.ppt

矢量图解运动问题 运动合成与分解的图解方法 v1 v2 V V v1 v2 v1 v2 V12 v1 v2 v1 v2 V12 合运动是同一物体在同一时间内同时完成几个分运动的结果 对同一物体同时参与的几个运动进行合成才有意义 当物体实际发生的运动较复杂时 我们可将其等效为同时参与几个简单的运动 前者称作合运动 后者则称作物体实际运动的分运动 这种双向的等效操作过程叫运动的合成与分解 是研究复杂运动的重要方法 构成一个合运动的几个分运动是彼此独立 互不相干的 物体的任意一个分运动 都按其自身规律进行 不会因有其它分运动的存在而发生改变 描述运动状态的位移 速度 加速度等物理量都是矢量 对运动进行合成与分解时应按矢量法则即平行四边形定则作上述物理量的运算 运动的合成与分解 独立性原理 运动的合成与分解遵循如下原理 等时性原理 矢量性原理 分解复杂运动的两种方法 引入中介参照系 根据实际效果分解运动 若设质点A对静止参考系C的速度 绝对速度 为vAC 动参考系B对C的速度 牵连速度 为vBC 而A对动参考系B的速度 相对速度 为vAB 则有 同样地 位移的合成与分解为 注意矢量运算式中下标的规律性 加速度的合成与分解为 雨滴在空中以4m s速度竖直下落 人打着伞以3m s的速度向东急行 如果希望让雨滴垂直打向伞的截面而少淋雨 伞柄应指向什么方向 矢量图解示例1 本例求雨相对人 伞 的速度 引入中介参照系 人 雨对地的速度 绝对速度 v雨 4m s竖直向下 v雨 人对地的速度 牵连速度 v人 3m s向东 雨对人的速度 相对速度 V雨对人 v人 三速度矢量关系为 矢量图示 V雨对人 伞柄方向与竖直成 由 两质点相遇 知A处质点相对于B处质点的速度vAB方向沿AB连线 C A B v2m vAB d l 由几何三角形与矢量三角形关系得 方向与BC成 一质点从A点出发沿AC方向以v1速度匀速运动 与此同时 另一质点以v2速度从B点出发做匀速运动 如图所示 已知A C相距l B C相距d 且BC AC 若要两质点相遇 v2的最小速率为多少 其方向如何 矢量图解示例2 矢量图示 v2 过河 问题 船对岸的速度 绝对速度 v 水对岸的速度 牵连速度 v水 船对水的速度 相对速度 v舟 关于航行时间 渡河时间取决于船对水的速度v舟 当v舟方向垂直于河岸时 船相对于水的分运动位移S舟 d最小 故可使渡河时间最短 S v水 v舟 v v 水速大小不影响渡河时间 矢量图示 关于实际航程 v水 v舟 v 为使航程最小 应使v舟与v水的合速度v与河岸的垂线间的夹角 尽量地小 若v舟 v水 船的实际位移与河岸的垂线夹角最小出现在 若v舟 v水 船的实际位移为河宽d航程即最短 故v舟的方向与船的航线成 船头指向上游 v舟 v水 v 矢量图示 这时船的实际航程为 船头指向上游且与实际航线垂直 与上游河岸成 当船的航程最短时 航行时间不是最短 假定某日刮正北风 风速为u 一运动员在风中跑步 他对地面的速度大小是v 试问他向什么方向跑的时候 他会感到风是从自己的正右侧吹来的 这种情况在什么条件下成为无解 在无解的情况下 运动员向什么方向跑时 感到风与他跑的方向所成夹角最大 专题4 例1 人对地的速度 牵连速度 v 风对地的速度 绝对速度 u 风对人的速度 相对速度 V 本例求相对速度 引入中介参照系 人 由题给条件 速度关系为 且 矢量图示 V u v 当运动员朝南偏西 感到风从正右侧吹来 当v u时 无此情况 当运动员朝南偏西 奔跑时感到风与他跑的方向所成夹角最大 一只木筏离开河岸 初速度为v0 方向垂直于岸 划行路线如图虚线所示 经过时间T 木筏划到路线上A处 河水速度恒定为u 且木筏在水中划行方向不变 用作图法找到2T 3T 时刻此木筏在航线上的确切位置 专题4 例2 明确速度关系 木筏对岸的速度v 木筏对水的速度V 方向不变 水对岸的速度u 大小方向不变 三速度矢量关系为 A y x 河岸 u v0 O v 矢量图示 某一恒力作用在以恒定速度v运动的物体上 经过时间t 物体的速率减少一半 经过同样的时间速率又减少一半 试求经过了3t时间后 物体的速度v3t之大小 专题4 例3 明确矢量关系 矢量图示 B D A C 在矢量三角形中运用余弦定理 从h高处斜向上抛出一初速度大小为v0的物体 讨论抛出角 为多大时物体落地的水平位移最大 专题4 例4 物体做抛体运动时 只受重力作用 在落下h高度的时间t内 速度增量 v恒为竖直向下 大小为gt 落地时速度v的大小为 矢量关系 矢量图示 矢量 面积 网球以速度v0落到一重球拍上后弹性地射回 为使球能沿着与原轨道垂直的方向射回 球拍应以什么样的速度vP运动 如果速度v0和球拍面的法线的夹角是 速度vP和此法线的夹角 是多少 设任何时刻球拍和球都是做平动的 专题4 例5 关于矢量间关系的隐含条件 1 重球拍的 重 可以认为拍的速度vp在碰球前后保持不变 2 网球弹性地射回 在碰撞前后 球相对于拍的速度大小相等 方向相反 3 球和拍都是做平动 球相对于拍只有沿拍面法向速度而无切向速度分量 矢量图示 v0球对拍 vt球对拍 在矢量三角形中 球拍速度与球拍法线方向夹角 如图所示 甲 乙两船在静水中航行速度分别为v甲和v乙 两船从同一渡口向河对岸划去 已知甲船想以最短时间过河 乙船想以最短航程过河 结果两船抵达对岸的地点恰好相同 则甲 乙两船渡河所用时间之比t甲 t乙 小试身手题1 起 止点相同 甲 乙合速度方向一致 运动合成情况如示 V水 V甲 V甲合 V乙 V乙合 两船航程相同 时间应与合速度成反比 由图 骑自行车的人以20km h的速率向东行驶 感到风从正北方吹来 以40km h的速率向东行驶 感到风从东北方向吹来 试求风向和风速 小试身手题2 人对地的速度v人1 20km h v人2 40km h 方向正东 风对地的速度v风 风对人的速度v风对人1方向正南 v风对人2方向西南 v风 v风对人1 v风对人2 v人1 v人2 速度矢量v风 v风对人 v人的关系如图 由图中几何关系易得 风向西北 矢量图示 从离地面同一高度h 相距l的两处同时各抛出一个石块 一个以速度v1竖直上抛 另一个石块以速度v2向第一个石块原来位置水平抛出 求这两个石块在运动过程中 它们之间的最短距离 小试身手题3 一个石块对地的速度为v1 vy 另一个石块对地的速度为v2 vy 两者相对速度为 矢量图示 v1 v2 v21 l x21 以石块1为参考系 石块2的位移方向与v21相同 以石块1为参考系 两石块初始距离为l 最小距离d 由图 这个最短距离适用于另一石块落地之前 艇拦截到船即相遇 有艇相对于船的速度V方向沿AB连线 两者相对速度为 矢量图示 v V夹角不会超过90 由速度矢量三角形得 则 得证 上述是最迟出发的临界情况 此时 截住船的位置在A前方 A 一辆汽车的正面玻璃一次安装成与水平方向倾斜角为 1 30 另一次安装成倾斜角度为 2 15 问汽车两次速度之比v1 v2为多少时 司机看见冰雹两次都是以竖直方向从车的正面玻璃上弹开 冰雹相对地面是竖直下落的 小试身手题5 本题题眼 各速度的矢量关系 冰雹近 离车的速度遵守 反射定律 第一次 矢量图示 第二次 v雹近车 由两矢量图 则 人具有与木马站立点相同的线速度 r 敞开的旋转木马离转动轴距离为r 以角速度 转动 人站在木马上 下雨了 雨滴以速度v0竖直下落 试问人应该怎样支撑着雨伞才能够最有效地避开雨 小试身手题6 本题求雨相对人 伞 的速度方向 引入中介参照系 人 雨对地的速度 绝对速度 v0竖直向下 v0 人对地的速度 牵连速度 v人 r水平 雨对人的速度 相对速度 V雨对人 v人 三速度关系为 矢量图示 V雨对人 伞柄方向与竖直成 如图所示为从两列蒸汽机车上冒出的两股汽雾拖尾的照片 俯视 两列车沿直轨道分别以速度v1 50km h和v2 70km h行驶 行驶方向如图所示 求风速 小试身手题7 观察照片 将两车之距离AB按5 7比例分成左 右两部分 分点C为两车相遇处 汽雾交点为O CO即为相遇时两车喷出之汽被风吹后的位移 两车从相遇点C到照片上位置历时 风速为 在照片上量出AB与CO长度 代入上式得 A B 敞开的磁带录音机的空带轴以恒定角速度转动 重新绕上磁带 绕好后带卷的末半径r末为初半径r初的3倍 绕带的时间为t1 要在相同的带轴上重新绕上厚度为原磁带一半的薄磁带 问需要多少时间 小试身手题8 设磁带总长l 绕厚磁带时 由题意 绕薄磁带时 得 带卷面积 绕一层时间 绕多少层 带卷面积 在听磁带录音机的录音时发觉 带轴上带卷的半径经过时间t1 20min减小一半 问此后半径又减小一半需要多少时间t2 小试身手题9 与上题不同的是 放音时磁带是匀速率地通过的 走带速度 通过的带长 带卷半径减半历时 v0 x y v1x v2y 设人以v1速度运动时间x 以v2速度运动时间y 则有 人赶上艇 两者位移矢量构成闭合三角形 位移的矢量关系 矢量图示 整理得 此式有解 即人能赶上以2 5km h飘行的快艇 推至一般 人总能赶上快艇 在O点起跳速度v的大小为 物体做抛体运动时 只受重力作用 在发生L位移的时间t内 速度增量 v恒为竖直向下 大小为gt 矢量关系 矢量 面积 此时由 一条在湖上以恒定速度行驶的船上 有一与船固连的