巧用v-t圖解決相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

福建三明將樂(lè)一中 (365000)

姚麗清●

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巧用v-t圖解決相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

福建三明將樂(lè)一中 (365000)

姚麗清●

勻變速直線運(yùn)動(dòng)中v-t圖像即速度隨時(shí)間變化規(guī)律的圖像，所包含的信息量豐富多彩.V-t圖像不僅能直觀、清晰的反應(yīng)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，而且能非常快捷準(zhǔn)確地解決運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)的問(wèn)題.要充分的利用好v-t圖像這一解題利器，就必須對(duì)圖像的點(diǎn)、線、面有深刻的理解.(1)點(diǎn)：圖像上任意一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值表示某個(gè)時(shí)刻物體對(duì)應(yīng)的速度(包含大小和方向)(2)線：圖像上任意一點(diǎn)的切線即斜率表示物體在這一時(shí)刻的加速度，反映了速度變化的快慢，傾斜程度越大，速度變化越快.(3)面：v-t線與坐標(biāo)軸所圍成的面積表示物體在這一時(shí)間段的位移.

v-t圖像、斜率、面積

在高中物理學(xué)習(xí)中經(jīng)常會(huì)遇到雙滑塊、傳送帶等模型，由于兩個(gè)物體存在著摩擦力，且互相影響，運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，學(xué)生對(duì)這類(lèi)問(wèn)題經(jīng)常感到力不從心.如果在解題的過(guò)程能輔以v-t圖像，往往能達(dá)到事半功倍的效果.

圖1

例題1 一輛平板式大貨車(chē)載著一個(gè)木箱在平直公路上勻速行駛，已知木箱前部與駕駛室后部的距離為L(zhǎng)=4 m，如圖1所示．木箱與車(chē)廂底板的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.4，假設(shè)無(wú)論木箱處于車(chē)廂的何處，車(chē)廂底板一直保持水平，且認(rèn)為木箱與車(chē)廂底板的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，g=10 m/s2．

(1)為了使木箱在車(chē)廂底板上不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，貨車(chē)剎車(chē)的最大加速度a為多大？

(2)若貨車(chē)某次剎車(chē)的加速度恒為1.5a，為了保證木箱在此次剎車(chē)期間不撞上駕駛室，此次剎車(chē)最多持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間？(設(shè)剎車(chē)后貨車(chē)并沒(méi)有停下來(lái)．)

網(wǎng)絡(luò)上流傳的的解題方法如下：

解 (1)木箱與車(chē)廂底板的最大靜摩擦力fm=μmg．

所以貨車(chē)剎車(chē)的最大加速度a為-4 m/s2．

(2)當(dāng)貨車(chē)剎車(chē)，發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，對(duì)木箱的阻力為摩擦力，有a′=1.5a

對(duì)于木箱，相對(duì)加速度a1=a′-a=0.5a=2m/s2

圖2

答：(1)貨車(chē)剎車(chē)的最大加速度a為-4 m/s2．

(2)此次剎車(chē)最多持續(xù)2s．

圖3

對(duì)于第二小題的解法，乍一看，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)解題，似乎有道理.可如果畫(huà)出v-t圖，很快發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在.如圖2所示，①線表示車(chē)的v-t圖線，②線表示木箱的v-t圖線，由于車(chē)減速的加速度大于木箱的加速度，所以經(jīng)過(guò)相等的時(shí)間t后，從v-t圖中很直觀辨別出來(lái),木箱的速度v2會(huì)大于車(chē)的速度v1，這樣木箱就會(huì)撞上駕駛室，與題目相違背！那么怎么解決第二問(wèn)題呢？根據(jù)題意，不撞的臨界條件是當(dāng)木箱滑至駕駛室時(shí)與車(chē)的速度相等，但由于加速度不同，所以車(chē)和木箱減至相同的速度所用的時(shí)間不同.同樣做出v-t圖，如圖3所示，減至相同的速度，木箱所用的時(shí)間t2大于車(chē)的時(shí)間t1.

根據(jù)題意：

貨車(chē)剎車(chē)的加速度為a1=1.5a

木箱由于摩擦的加速度為

a2=a=4m/s2

ΔV=a1t1=a2t2

1.5at1=at2

t2=1.5t1

圖3中兩條v-t圖線所圍成的面積如圖陰影部分，即為貨車(chē)和木箱的相對(duì)位移

例題2 將一個(gè)粉筆頭輕放在以2m/s的恒定速度運(yùn)動(dòng)在足夠長(zhǎng)的水平傳送帶上后，傳送帶上留下一條長(zhǎng)度為4m的劃線.若使該傳送帶仍以2m/s的初速度做勻減速運(yùn)動(dòng)，加速度大小恒為1.5m/s2，且在傳送帶開(kāi)始做勻減速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將另一粉筆頭(與傳送帶的動(dòng)摩擦因數(shù)和第一個(gè)相同)輕放在傳送帶上，該粉筆頭在傳送帶上能留下一條多長(zhǎng)的劃線？

圖4

圖5

當(dāng)傳送帶以1.5m/s2加速度勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，粉筆頭和傳送帶的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如v-t圖5所示.①表示傳送帶以v0=2m/s,a1=1.5m/s2的勻減速直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖線，勻減直至停止，②表示粉筆頭做v0=0,a2=0.5m/s2勻變速直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖線，在0—t1的時(shí)間段傳送帶的速度大于粉筆頭的速度，粉筆頭做勻加速運(yùn)動(dòng)，在t1時(shí)刻它們具有相同的速度.

即v0-a1t1=a2t1,得t1=1s

速度相等之后，粉筆頭超前，所受滑動(dòng)摩擦力反向，開(kāi)始減速運(yùn)動(dòng)， 由于傳送帶先減速到0，所以后來(lái)粉筆頭一直勻減速至靜止.如v-t圖中t1—t2時(shí)間段的圖線，根據(jù)對(duì)稱可知t2=2s

此階段粉筆頭相對(duì)傳送帶向前劃線，v共=a2t1=0.5m/s，傳送帶停止的時(shí)間t3=v0/a1=4/3(s)

在高中的物理教學(xué)中，v-t圖像法是一種重要的解題方法，它具有直觀、形象、明了的特點(diǎn)，能把物體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程具體化，使得物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)更加清晰，達(dá)到化難為易、化繁為簡(jiǎn)的目的.所以在解決物理問(wèn)題的過(guò)程要經(jīng)常輔以v-t圖，以便快捷的解決問(wèn)題.

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1008-0333(2016)31-0058-02