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文档简介
关联速度的分解在高中运动的合成与分解教学中,学生常常难以理解如何分解速度,特别是合速度和分速度的区别。一个简单的方法是:物体实际运动的方向就是合速度的方向,然后分析合速度所产生的实际效果,以确定两个分速度的方向。一、绳、杆连接的物体绳、杆等连接的物体在运动过程中,两端物体的速度通常不同,但两端物体的速度是有联系的,称为“关联”速度。关联速度的关系是:物体沿杆(或绳)方向的速度分量大小相等。因此,求解这类问题时,首先要明确绳连物体的速度为合速度,然后将两物体的速度分别分解成沿绳方向和与绳垂直方向的分速度,令两物体沿绳方向的速度相等即可求出。例如,如图1-1所示,在一光滑水平面上放置一个物体,人通过细绳跨过高处的定滑轮拉物体,使物体在水平面上运动,人以大小不变的速度v运动。当绳子与水平方向成θ角时,物体前进的瞬时速度是多少?解析:绳子牵引物体的运动中,物体实际上在水平面上运动,这个运动就是合运动,所以物体在水平面上运动的速度v是合速度。将v按如图1-2所示进行分解,其中:v=v物cosθ,使绳子收缩,v⊥=v物sinθ使绳子绕定滑轮上的A点转动,所以v物=v.cosθ。二、杆连接的物体另一个例子是杆连接的物体。例如,如图2-1所示,一根长为L的杆OA,O端用铰链固定,另一端固定着一个小球A,靠在一个质量为M,高为h的物块上,物块以速度v向右运动。求当杆与水平方向夹角为θ时,小球A的线速度vA?解析:选取物与棒接触点B为连结点,B点的实际速度(合速度)也就是物块速度v;B点又在棒上,参与沿棒向A点滑动的速度v1和绕O点转动的线速度v2,因此,将这个合速度沿棒及垂直于棒的两个方向分解。由速度矢量分解图得v2=vsinθ,设此时OB长度为a,则a=h/sinθ,令棒绕O点转动角速度为ω,则ω=v2/a=vsin2θ/h,故A的线速度vA=ωL=vLsin2θ/h。三、平面镜反射的光线另一个例子是平面镜反射的光线。如图3-1所示,S为一点光源,M为一平面镜,光屏与平面镜平行放置,SO是垂直照射在M上的光线,已知SO=L,若M以角速度ω绕O点逆时针匀速转动,则转过30°角时,光点S′在屏上移动的瞬时速度v为多少?由于光线在平面镜上的反射是一种合速度,因此,我们可以将SO的方向作为合速度的方向。然后,将合速度分解成沿镜面和垂直镜面的两个分速度。当镜子转过30°时,根据几何关系可以求出反射光线的方向和角度,从而求出S′在屏上移动的瞬时速度v。由几何光学知识可知,当平面镜绕点O逆时针转过30°时,反射光线与入射光线的夹角为60°,此时反射光线的长度为L/cos60°。选取光点S′为连结点,该点实际速度(合速度)就是在光屏上移动速度v,同时也参与绕点O的转动线速度v。因此,可以将这个合速度沿反射光线及垂直于反射光线的两个方向分解,如速度矢量分解图3—2所示,其中v1=vsin60°,v2=vcos60°。由圆周运动知识可得,反射光线绕点O的角速度为2ω,因此有vcos60°=2ωL/cos60°,解得v=8ωL。在解决相互接触物体的速度关联问题时,首先需要明确两接触物体的速度,并分析弹力的方向。然后,将两物体的速度分别沿弹力方向和垂直于弹力方向进行分解,令两物体沿弹力方向的速度相等即可求出相互接触物体的速度关系。例如,考虑一个半径为R的半圆柱沿水平方向向右以速度v匀速运动。在半圆柱上放置一根竖直杆,此杆只能沿竖直方向运动,如图4所示。当杆与半圆柱体接触点P与柱心的连线与竖直方向的夹角为θ时,竖直杆的运动速度可以表示为v1=vtanθ,其中v1为竖直方向上的速度
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