一道高考物理試題的拓展分析

周子川

2013年上海有一道高考物理試題，我用圖解法對(duì)其進(jìn)行了拓展分析。

這道多項(xiàng)選擇題目是：

如圖示，在平靜的海面上，兩只拖船A、B拖著駁船C前進(jìn)，拖船A、B的速度分別沿纜繩CA、CB的方向，A、B、C不在一條直線上。由于纜繩不可伸長(zhǎng)，因此，船C的速度在CA和CB方向的投影分別與船A、船B的速度相等。由此，可以知道船C的（ ）。

A. 速度大小可以介于船A和船B的速度之間。

B. 速度大小一定不小于船A、船B的速度。

C. 速度的方向可能不在CA與CB的夾角范圍內(nèi)。

D. 速度的方向一定在CA與CB的夾角范圍內(nèi)。

一、分析

設(shè)船A在圖示1中CA方向不變，以VA速度運(yùn)動(dòng)；船B在圖示1中BC方向不變，以VB速度運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槔|繩不可伸縮，所以船C在CA方向和CB方向上的分速度始終保持不變，分別等于船A的速度VA和船B的速度VB。

1.由圖示1，∠ACB≠0，船C的速度VC方向不可能與VA、VB相重合。所以，VC可以分解為沿CA方向和垂直CA方向的兩個(gè)分速度，沿CA方向的分速度使船C向CA方向移動(dòng)，而垂直CA方向的分速度使船C繞船A作圓周運(yùn)動(dòng)。同樣，VC也可以分解沿CB方向和垂直CB方向的兩個(gè)分速度，沿CB方向的分速度使船C向CB方向移動(dòng)，而垂直CB方向的分速度使船C繞船B作圓周運(yùn)動(dòng)。

顯然，VC的大小大于VA和VB（直角三角形的斜邊大于直角邊）。所以選項(xiàng)B正確，A選項(xiàng)錯(cuò)誤。

2.如果CA與CB的夾角<[90°]時(shí)：

因?yàn)槔|繩不能伸縮，VC在CA方向和CB方向的分速度不改變，分別等于VA和VB；由于VA與VB的差值大小的原因，VC可能在CA、CB的夾角內(nèi)，也可能在夾角外：（1）當(dāng)VA與VB大小的差值不大時(shí)，VC可能在夾角內(nèi)；（2）當(dāng)VA與VB大小的差值較大時(shí)，VC可能在夾角外；如VA大于VB，VC在夾角的右側(cè)（速度大的一側(cè)）；如VA小于VB，VC在夾角的左側(cè)（速度大的一側(cè)）。如圖示1，VC分解為BC方向的VB和垂直BC方向的VBN，只要VA、VB的夾角小于[90°]，VC就有可能在夾角外。

顯然，VC有可能不在夾角內(nèi)，所以選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

二、本題的拓展思考

1. 從圖示1，VC不等于VA和VB的矢量和ΣV，說(shuō)明船C在這一時(shí)刻，存在初速度V0，V0與ΣV的矢量和才等于VC。

2. 從圖示2，隨著時(shí)間的推移，ΔABC中，CA、CB長(zhǎng)度不變，而AB增大，所以，CA與CB的夾角θ不斷增大。因?yàn)閂C在CA、CB方向的速度始終分別等于VA、VB，所以VC的大小方向一直保持不變。

3.如圖示2，當(dāng)VC在CA、CB兩纜繩夾角θ外時(shí)，船A、船B的牽引合力F總在纜繩的夾角θ內(nèi)。船B的纜繩方向即船B牽引力FB方向，它與BC方向夾角α?xí)絹?lái)越大，要保持BC方向的分速度不變（因?yàn)閯蛩偾斑M(jìn)的船B在BC方向的牽引力就是水的阻力，它只有速度大小相關(guān)——速度越大、牽引力就越大。）所以BC方向的牽引力不會(huì)改變，F(xiàn)B隨α變大會(huì)越來(lái)越大（α3>α2>α1>α0；FA3>FA2>FA1>FA）。船A的纜繩方向即船A牽引力方向，它與AC方向夾角β，β先增大、再減小、再增大，要保持AC方向的速度不變，船A的牽引力FA（FB3、FB2、FB1）雖比FB0有所增大，但增大幅度都小于FA。所以，船C所受牽引合力F（F0、F1、F2、F3）圍繞船B（因?yàn)閂B

圖示2中，船C在C—C1階段，VC與船A、船B的牽引合力F的夾角小于[90°]，加速度a為正，作加速曲線運(yùn)動(dòng)；船C在C1—C2階段，VC與牽引合力F的夾角先小于[90°]，后逐漸變成大于[90°]，先作加速曲線運(yùn)動(dòng)、加速度逐漸減少變?yōu)闇p速曲線運(yùn)動(dòng)；船C在C2—C3階段，VC與牽引合力F的夾角大于[90°]，作減速曲線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)闋恳狭Φ囊徊糠挚朔珻所受水的阻力維持CA和CB方向的勻速運(yùn)動(dòng)，另一部分則作為船C作曲線運(yùn)動(dòng)的向心力，由于F的大小、方向的不斷變化，向心力的大小并不相同，又因?yàn)閂C一定，F(xiàn)=MV2/R所以，曲線運(yùn)動(dòng)的曲率半徑R也在不斷變化；且曲率中心由于船C維持CA和CB方向的勻速運(yùn)動(dòng)，不斷向左上方移動(dòng)。

船C的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖示2，它依順時(shí)針（如果VB>VA，則為反時(shí)針）作曲線運(yùn)動(dòng)，曲率半徑不斷變化，曲率中心向左上方（如果VB>VA，則向右上方）不斷位移。