2019-2020年高中物理奥赛 第2讲 运动和物体系的相关速度教案.doc

第2讲 运动和物体系的相关速度一、知识精讲1直线运动和曲线运动 匀变速直线运动：匀变速直线运动包括匀加速直线运动和匀减速直线运动两种情况，它的特点是加速度a=恒量，并与速度在同一直线上匀变速运动的基本公式为： 匀变速曲线运动：匀变速曲线运动的特点是a=恒量，但与速度的方向不在同一直线上，如斜抛运动，研究斜抛运动可以有多种方法，既可以将它看成是水平方向的匀速运动和竖直方向的（上或下）抛运动的合成；也可以看做是抛出方向的匀速运动和一个自由落体运动的合成匀速圆周运动：匀速圆周运动的特点是a与的大小为恒量，但它们的方向无时无刻不在改变，它是一种特殊的曲线运动，但却是研究曲线运动的基础，一般曲线运动的任何一个位置，都可以作为一个瞬时的圆周运动来研究。 我们经常将圆周运动分解成法向和切向两个方向来研究，法向加速度，对于匀速圆周运动，其切向的加速度为零，如果是变速圆周运动，那么它在切向上也有加速度此时它的合加速度是：。2相对运动： 在大多数情况下，我们都习惯于以地面作为参照物，但在某些场合，我们选择其他一些相对地面有速度的物体作为参照物，这样会给解决问题带来方便，所以相对运动就是研究物体对于不同参考系的运动以及它们之间的联系，比如A物体相对于地面的速度为，如果取另一个相对地面有速度的B物体作参照物，那么A物体相对B物体的速度为： 或通常把物体相对“固定”参考系的速度称为绝对速度，把相对于“运动”参考系的速度称为相对速度，而把运动参考系相对固定参考系的速度称为牵连速度，所以上式我们可以表述为“相对速度等于绝对速度和牵连速度之差”速度的合成必须用平行四边形定则进行计算3刚体的平动和转动刚体：刚体是指在任何条件下，形状和大小不发生变化的物体。这样的物体实质上是不存在的，但固体在一般情形下可视为刚体平动：刚体在运动过程中，其上任一直线段在各个时刻的位置始终保持平行，这种运动称为平动做平动的物体可视为质点转动：刚体所有质元都绕同一直线作圆周运动，这种运动称为转动，这一直线称为转轴。如果转轴固定不动，就称为定轴转动角速度： 即单位时间内转过的角度（角位移），对于非匀速转动，上式只是求出刚体在t时间内的平均角速度，对于瞬时角速度，角加速度：单位时间内角速度的变化量。对于匀变速转动，可以类比匀变速直线运动的规律，有 定轴转动中、与线速度，切向加速度和法向加速度的关系为 4关联速度 所谓关联速度就是两个通过某种方式联系起来的速度比如一根杆上的两个速度通过杆发生联系，一根绳两端的速度通过绳发生联系常用的结论有： 杆（或张紧的绳）上各点沿杆（或张紧的绳）方向的速度分量相同； 如果杆（或张紧的绳）围绕某一点转动，那么杆（或张紧的绳）上各点相对转动轴的角速度相同 二、教你一手类型一、匀速直线运动的问题本来是物理学中最基本的知识，但往往当基本模型隐藏得比较深的时候，就成为一种比较难解的题，要解这类题目时，一般都要进行某种转换把其本来的模型突显出来才能找出简便的解题方法。例1在听磁带录音机的录音磁带时发觉，带轴于带卷的半径经过时间t1=20 min减小一半问此后半径又减小一半需要多少时间？分析和解：本题的关键在于要弄清录音磁带转动时是转轴匀速，还是带速恒定，这要联系实际听乐音所需的效果就可以确定应该是带速恒定，然后再把磁带卷过的长度转换到带卷的面积来考虑问题即可解题。设带半径的初半径为4r，于是当半径减少一半，成为2r时，带卷的面积减少了这等于所绕带的长度，与带的厚度d之乘积在听录音时带运行的速度恒定，所以，于是有 当带轴上半径又减少一半（从2r到r）时，带卷的面积减少了，即 由得 类型二、相对运动的问题是运动学中一种比较难处理的类型，一般来说，选择不同的参考系物体的运动状态不同，但采用坐标转换法也可以改变物体的运动情况特别是可以把直觉看来是曲线运动的物体转换成直线运动的情况却很少学生了解，解题时采用这样的方法可以使问题简化很多。例2由于汽车在冰面上行驶时摩擦因数很小，所以其最大加速度不能超过a=0.5m/s2根据要求，驾驶员必须在最短时间内从A点到达B点，直线AB垂直于汽车的初始速度，如图2一1所示如果A、B之间的距离AB=375 m，而初速度=10 m/s，那么这个最短时间为多少？其运动轨迹是什么？分析和解：本题是一个典型的相对运动问题，而且用常规的方法是很 难解出此题的，然而如果才坐标系转换法解此题，其难度却可以大大降低。坐标系转换：汽车在A点不动，而让B点以恒速向汽车运动的相 反方向运动在此坐标系内汽车为了尽快与B点相遇，必须沿直线以恒加速度a向B点驶去假设它们在D点相遇，如图22所示设AB=b，我们可以列出： 由式可得： 将数据代人式得t50s。在地球坐标系内，它的运动是两个不同方向上的匀速直线运动和匀加速直线运动的合运动，因而它的运动轨迹是一条抛物线 类型三、关联速度问题是运动的合成和分解的一个基本模型，关联的本质是转动和平动的关联，分析时既要考虑运动的独立性原理，又要考虑物体实际的运动轨迹，还要考虑连绳的长度，建立好正确的几何模型对解题至关重要。 例3线轴置于斜面上，斜面与水平面的夹角为.线的自由端固定住（如图23）线绳为垂直线时的瞬间线轴的旋转角速度等于求在这瞬间的： 线轴轴心的速度；线轴与斜面相切点的速度 线轴的半径为R.分析和解：本题中由于线绳不能伸长，所以垂直线最下面的点和与其相接触的线轴上的A点的速度相同，的方向是水平方向线轴的运动由两个运动合成：平行于斜面的直线运动，其速度为；绕轴心的顺时针转动，其角速度等于。在题中情况下,A点的速度（图2 4a)等于不难看出，且，由此可得 同理可以求出线轴与斜面相切C点的速度（图2一4b) 其速度在斜面方向的投影为 将代人得例4AC、BD两杆均以角速度绕A、B两固定点在同一竖直平面内转动，AB=，转动方向如图1一5所示，当t=0时，a =600，试求t时刻交点M的速度和加速度分析和解：本题实质上也是关联速度的问题，但其关联的本质 是两杆的角速度相同，所以+=1200不变，推知M点的轨迹在正三角形M外接圆上运动由此可重点在几何模型上去探求解法。在t=0时刻，ABM为正三角形，则AM=BM=，两杆旋转 过程中，因转动的角速度相同，则角增加量等于角的减小量，+=1200不变，则顶角M大小始终不变，即M=600，则M点的轨迹在正三角形ABM外接圆上运动（如图2一6所示）。则MOM = 2 MB M ，则M = 2M点作以半径为的匀速圆周运动在任意t时刻速度为：，向心加速度为：类型四、物理学中特殊的曲线运动主要有两类，即圆周运动和抛体运动，其中抛体运动轨迹的曲率半径是随时变化的，所以在考虑抛体运动时，如果要计算向心加速度，则必须通过有关运动的计算得出曲率半径才能求解。例5以速度、与水平方向成角抛出石块，石块沿某一轨道飞行如果蚊子以大小恒定的速率沿同一轨道飞行问蚊子飞到最大高度一半处具有多大加速度？空气阻力不计分析和解：蚊子的运动实际上是匀速率曲线运动它的加速度就是它运动到不同位置时的向心加速度关键在于求出最大高度一半处时的曲率半径R我们可以根据轨道方程，求出曲率半径R现在我们根据石块的运动来求曲率半径石块的运动为斜上抛运动，它到达的最大高度为设在处，速度与水平方向成角运动速度关系为， 故有由以上四式得将加速度g分解为法向和切向方向得根据向心加速度公式，得蚊子以的恒定速率沿石块的轨迹运动，蚊子在粤处曲率半径仍为石块运动到此的曲率半径R，但切向加速度为0，法向加速度，蚊子的加速度等于该处的法向加速度即为蚊子飞到最大高度一半处具有的加速度类型五、刚体的平动和转动问题的解题关键在于分析清楚物体间的内部约束和外界约束，其约束条件往往就是解题的突破口。例6图27细杆AB长,端点A、B分别被约束在和轴上运动，试求：(1）杆上与A相距()的P点的运动轨迹；(2)如果图中角和为已知，那么P点的、方向分运动速率、是多少？分析和解：本题中的内部约束就是杆长和P点在杆中的位置，而外部约束是A、B分别被约束在和轴上运动，这样就确定了它们之间的几何关系。(1)杆A端在轴上的位置用坐标九表示，杆B端的位置用坐标表示，P点的坐标为（），利用几何关系，得出与的关系为即由以上两式，得这是一个椭圆方程，故P点的运动轨迹为椭圆 (2)设在t时间内，P点坐标的改变量为和，杆A、B两端坐标的相应改变量为和，利用P点坐标与A、B两端坐标在几何上的关连有，根据速度分量的定义，当t0时，式中和分别是A端和B端的速度由AB杆不可伸长，有 最后得出P点的速度分量为 三、小试身手1线段AB长S，分成n等分，一质点由A静止出发以加速度a向B作分段匀加速度直线运动，当质点到达每一等分的末端时，它的加速度增加，求质点运动到B点时的速度。2质点P1，以由A向B作匀速运动，同时质点P2以从B指向C作匀速运动，ABC=且为锐角，如图28，试确定何时刻P1P2的间距d最短，为多少？3处于一平直轨道上的甲、乙两物相距S，同时同向开始运动甲以初速、加速度a1向乙作匀加速运动，乙作初速为零、加速度为a2的匀加速直线运动，设两车相互超前时各不影响，试讨论两车相遇的条件及对应的相遇次数4在倾角为足够长的斜坡上，以初速度发射一炮弹，设与斜坡的夹角为，如图29所示，求炮弹落地点离发射点的距离L5 两直杆、，交角为，交点为A，若二杆各以垂直于自身的速度、沿着纸平面运动，如图210所示求交点A运动速度的大小6 一块小木块P放在很粗糙的水平面上，被一根绳拉着滑动，绳的另一端Q以速度在轨道中运动，绳长，绳与轨道的夹角是（图211）求此时P的速度和加速度7 一个足够大的房间高为H，一盏灯挂在离地面高h处，灯泡破裂，碎片以同样大小的速度向四面八方飞去，如果碎片与天花板的碰撞是弹性的，与地板的碰撞是完全非弹性的，那么碎片洒落在地板上的半径多大？若H二5m，=10 m/s，求：h为多大时，R有最大值，并求出该最大值。8在竖直平面内，支在原点O的一根弯杆，其形状可以用函数来描写，为有长度量纲的非零正常数在杆上穿一滑块，杆与滑块间的静摩擦因数为（图212） （1）不考虑摩擦，求滑块的高度为z时，它在沿杆方向的加速度的大小下列5种答案中有一个是正确的，试作出判断并说明理由:0、g、。 （2）考虑摩擦，但杆不动，在什么情况下滑块可以在杆上静止？（用z、g、k表示） （3）现在设杆以角速度绕z轴匀速转动，且有关系，这时滑块可以在何处相对于杆静止？ （4）若=0.5，则滑块不滑动的条件又如何？9 图213所示为用三角形刚性细杆AB、BC、CD连成的平面连杆结构图。AB和CD杆可分别绕过A、D的垂直于纸面的固定轴转动，A、D两点位于同一水平线上。BC杆的两端分别与AB杆和CD杆相连，可绕连接处转动（类似铰链）。当AB杆绕A轴以恒定的角速度转到图中所示的位置时，AB杆处于竖直位置。BC杆与CD杆都与水平方向成45角，已知AB杆的长度为，BC杆和CD杆的长度由图给定。求此时C点加速度的大小和方向（用与CD杆之间的夹角表示）2019-2020年高中物理奥赛 第2讲 运动和物体系的相关速度教案1 解：质点由A静止出发以加速度a作匀加速度直线运动的位移为，质点的速度由运动学公式可得，同理第二个的初速度为，加速度为，则，依次类推，则，所以质点运动到B点时的速度为2解：设经过时间t相距为d，则此时质量点P1前进的距离为，P2前进的距离为，由余弦定理可得，即，对根号里面配方可得，3 提示：当能相遇，其中时相遇一次，时，能相遇二次。4 解：将正交分解为，设经过t的时间落到斜面上则，又由和可解得：5 解：根据匀速运动的特点，设二杆运动单位时间的位移为，的位移为，如图211所示，A的位移为，的大小就是A点速度的大小6解：由于水平面很粗糙，不沿绳方向的速度很快就被摩擦力消耗，因此P的速度一定沿绳的方向，那么P的速度现取Q为参考系，因为Q无加速度，所以P在Q系中的加速度等于P在地面系中的加速度。在Q系中，P有一个垂直于PQ的速度。 因为很小，所以，因此因此7解：（1）假设碎片不会碰顶，应有 即配方得：当时，此时以上假设要求：，即（2）若h不满足上述要求，则以角飞出的碎片将撞击天花板，飞行轨迹发生变化。此时抛得最远的碎片应该是未撞击天花板而最高点恰好和天花板相切的碎片，这时有由以上三式可解得：（3）因为，所以在不碰顶时，h越大R越大。H可取的最大值是，此时下面再考虑碎片碰顶的情况，求极值，可得当时，R有最大值8（1）在不考虑摩擦时，滑块在杆上运动的加速度即为重力加速度的切向分量 其中为滑块所在点杆的法线与重力方向的夹角。一般不为零，且一定不超过g，当时，杆近于竖直，趋近于g，于是可判断，由此算得， (2)考虑摩擦而杆不动，则滑块静止为静力平衡，滑块受重力影响有下滑趋势，摩擦力向 上，支持力和摩擦力大小分别为，平衡条件要求，或设时，则滑块静止的条件为。（3）当杆匀速转动时，则在滑块相对于杆不动时，支持力和摩擦力在竖直方向的分力之和与重力平衡，在水平方向的分力之和使滑块产生水平的向心加速度，由此可得，（不妨设摩擦力沿杆向上）由以上二式可得：，当时，有。即无摩擦力，向心加速度完全由重力和支持力的合力提供，这个关系对任何都能满足，即此时滑块在任何位置都相对于杆静止。（4）当时，由可知，即摩擦力实际是向下的，由于旋转太快而滑块上有上移的趋势，滑块相对静止的条件为：即：，或此二次函数不等式的判别式为：故不等式满足的条件为：或用代入，即得滑块不滑动的条件为或。9解：因为B点绕A轴作圆周运动，其速度的大小为（1）B点的向心加速度的大小为（2）ACDBaCnaC taC因为是匀角速转动，B点的切向加速度为0，故也是B点的加速度，其方向沿BA方向因为C点绕D轴作圆周运动，其速度的大小用表示，方向垂直于杆CD，在考察的时刻，由图可知，其方向沿杆BC方向因BC是刚性杆，所以B点和C点沿BC方向的速度必相等，故有（3）此时杆CD绕D轴按顺时针方向转动，C点的法向加速度 （4）由图可知，由（3）、（4）式得 （5）其方向沿CD方向 下面来分析C点沿垂直于杆CD方向的加速度，即切向加速度 因为BC是刚性杆，所以C点相对B点的运动只能是绕B的转动，C点相对B点的速度方向必垂直于杆BCABCDxy令表示其速度的大小，根据速度合成公式有 由几何关系得 （6）由于C点绕B作圆周运动，相对B的向心加速度 （7）因为，故有 （8）其方向垂直杆CD.由（2）式及图可知，B点的加速度沿BC杆的分量为 （9）所以C点相对A点（或D点）的加速度沿垂直于杆CD方向的分量 （10）C点的总加速度为C点绕D点作圆周运动的法向加速度与切向加速度的合加速度，即（11）的方向与杆CD间的夹角（12）