全国中学生物理竞赛课件4：矢量图解运动问题.pps

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,矢量图解运动问题,运动合成与分解的图解方法,v,1,v,2,V,V,=,v,1,+v,2,v,1,v,2,V,12,=,v,1,-v,2,v,1,v,2,V,12,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,v,AC,，动参考系,B,对,C,的速度（牵连速度）为,v,BC,，而,A,对动参考系,B,的速度（相对速度）为,v,AB,，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,4,m/s,速度竖直下落，人打着伞以,3,m/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,=4,m/s,竖直向下,v,雨,人对地的速度（牵连速度）,v,人,=3,m/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,O,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,v,AB,方向沿,AB,连线,C,A,B,v,1,v,2,v,1,v,2m,v,AB,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,v,1,速度匀速运动，与此同时，另一质点以,v,2,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，,v,2,的最小速率为多少？其方向如何？,矢量图解示例2,矢量图示,v,2,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,河岸,d,河岸,v,水,v,舟,v,S,水,S,舟,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,河岸,d,河岸,v,水,v,舟,v,河岸,d,河岸,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,北,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,v,0,，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,2,T,、,3,T,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,v,0,O,V,u,v,0,v,S,筏对水,S,筏,V,0,S,水,T,S,水,T,B,S,水,T,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,3,t,时间后，物体的速度,v,3,t,之大小,专题,4-,例,3,明确矢量关系,!,矢量图示,B,D,v,v,t,v,2,t,v,3,t,v,O,A,v,v,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,v,0,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,h,v,0,v,t,v,v,0,矢量,“,面积,”,O,x,y,网球以速度,v,0,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,v,P,运动？如果速度,v,0,和球拍面的法线的夹角是,，速度,v,P,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,v,p,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,v,p,矢量图示,C,v,0,球对拍,v,t,球对拍,v,t,B,在矢量三角形中,:,球拍速度与球拍法线方向夹角,v,0,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,20 km,h,的速率向东行驶，感到风从正北方吹来，以,40 km,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,=20 km/h,v,人,2,=40 km/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,v,1,竖直上抛，另一个石块以速度,v,2,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,v,1,+v,y,另一个石块对地的速度为,v,2,+v,y,两者相对速度为,矢量图示,v,1,v,2,v,21,l,x,21,以石块,1,为参考系，石块,2,的位移方向,与,v,21,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,v,0,v,D,A,B,如图所示，一条船平行于平直海岸线航行，船离岸的距离为,D,，船速为,v,0,，一艘速率为,v,（,v,v,0,）的海上警卫小艇从港口出发沿直线航行去拦截这条船证明小艇必须在这条船驶过海岸线的某特定点,A,之前出发，这点在港口后面的 处如果快艇在尽可能迟的瞬时出发，它在什么时候和什么地方截住这条船？,小试身手题4,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,B,v,0,v,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,v,1,v,2,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,v,1,v,雹,v,雹离车,v,雹近车,第二次,v,2,v,雹,v,雹近车,v,雹离车,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,v,0,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,）,v,0,竖直向下,v,0,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,O,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,v,1,50 km,h,和,v,2,70 km,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,57,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,C,O,v,1,v,2,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,t,1,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,d,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,t,1,20min,减小一半问此后半径又减小一半需要多少时间,t,2,？,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,d,快艇系在湖面很大的湖的岸边湖岸线可以认为是直线突然缆绳断开，风吹着快艇以恒定的速度,v,0,2.5 km/h,沿与湖岸成,15,角的方向飘去同时岸上一人从同一地点沿湖岸以速度,v,1,4 km/h,行走或在水中以速度,v,2,2 km/h,游去，此人能否赶上快艇？当快艇速度为多大时总可以被此人赶上？,小试身手题10,15,v,0,(,x,+,y,),v,1,x,v,2,y,设人以,v,1,速度运动时间,x,，以,v,2,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,2.5 km/h,飘行的快艇,!,推至一般,人总能赶上快艇,!,如图所示，在仰角 的雪坡上举行跳台滑雪比赛运动员从坡上方,A,点开始下滑，到起跳点,O,时借助设备和技巧，保持在该点的速率而以与水平成,角的方向起跳，最后落在坡上,点，坡上,OB,两点距离,L,为此项运动的记录已知,A,点高于,O,点,h,50 m,，忽略各种阻力、摩擦，求运动员最远可跳多少米，此时起跳角为多大？,小试身手题11,A,O,B,h,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,:,v,B,v,v,0,矢量,“,面积,”,此时由,O,N,墙,一条在湖上以恒定速度行驶的船上，有一与船固连的竖直光滑墙壁，有一个小球沿水平方向射到墙上，相对于岸，小球速度的大小为,v,1,，方向与墙的法线成,60,角，小球自墙反弹时的速度方向正好与小球入射到墙上时的速度方向垂直问船的速度应满足什么条件？设小球与墙壁的碰撞是完全弹性的,小试身手题12,设船速为,v,0,因为弹性碰撞，小球相对墙的入射速度与的反射速度,大小相等,，速度,方向“沿着入射角与反射角”,v,0,矢量图示,C,v,1,球对墙,v,2,球对墙,v,2,B,v,1,附视,由图知只要,v,0,沿墙的法线方向分量,