高中物理详解:匀减速至速度为零的运动的分析方法

百科   2024-11-02 07:30   广东  

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来看这道题:

这种题应该怎样分析?通常的说法是,采用“逆向思维”,考虑与题中的运动对应的从静止开始的匀加速运动。

不过,这里所谓逆向思维,为什么可以用?理由是什么?有些老师并没有向学生详细的解释,没有根据学生学到的基础知识,先把那个关系推导出来。

另一方面,如果不采用逆向思维,这道题又应该怎么做?不少学生从来没用“正向”思维求解过这种题。他们的学习经验不完整。

本文将对这个问题进行详细解释。相信对一些高中生会有价值。

知识基础是均变速直线运动的三个最基本公式,每个学生都熟悉:

当初速度为零时,(2)式成为

我们只需要这三个公式,不需要额外的知识。
需要强调,这几个公式都是针对某一个时间间隔的,每次使用它们时,都必须明确是把它们用到哪一个时间间隔。
好,现在考虑,某物体进行匀减速运动,直到速度减为零。

至于速度减为零以后,物体的加速度是变为零,从而运动停止(例子:汽车停下来,或滑块在桌面停下来),还是加速度保持不变,物体开始沿着与起初相反的方向运动(例子:竖直向上抛出的物体),我们不用去管。

我们只研究(也就是,只关心)物体速度减为零之前的运动情况。

设加速度为a,并设从我们开始观察到物体速度减为零,经过的时间为t

我们想知道,这段时间内,物体的位移是多少。

计算分为两步:

第一步:把(1)式用到物体速度变为零之前的这段时间间隔(长度为t),这时v=0,所以,我们就可用at把初速度表示出来

我们刚才一直没指定,用哪个方向为正方向。现在指定也不迟。我们用初速度的方向做正方向(如果你愿意,你也可以用初速度的方向做负方向),那么,初速度的值就为正。根据(3)式,a的值为负。让我们记住这一点。

第二步:把(2)式用到物体速度变为零之前的这段时间间隔(长度为t),并将(3)式代入(2)式,就可以用at把我们想知道的位移表示出来:


由于a的值是负的,所以,位移x的值是正的。而我们是用初速度的方向作为正方向,所以,(4)式告诉我们,位移是沿着初速度的方向。嗯,合理。(在计算过程中,我们需要时刻注意评估我们得到的结果是否合理)

(如果我们用初速度的方向做负方向,那么,初速度的值为负,根据(3)式,a的值为正,那么,根据(4)式,位移x的值为负。所以,位移还是沿着初速度的方向。正负方向的选择方式,并不影响问题的结果。这就像,把男的改叫女的,把女的改叫男的,并不会改变谁能够怀孕。)

看到了吗,我们算出的位移(由(4)式给出),与(2a)的样子一模一样,只差一个负号。这两个位移的大小相等。

可是,它们表示的是不同运动过程中的位移。

2a)式表示的是,从静止开始,以加速度a做匀加速运动的物体,在t时间内发生的位移。

(4)式表示的是,以加速度a做匀减速运动的物体,在速度变为零之前t时间内发生的位移。

我们的结果表明,如果at相等,后一个位移的大小等于前一个位移的大小。这可太棒了。

这样一来,当我们需要计算后一种情况的位移时,我们只要算出对应的、第一种情况下的位移就可以了。我们对第一种情况太熟了。

现在用这种方法做本文一开头的题目:

从上浮速度为v时开始匀减速并计时,经过时间t上浮到海面,速度恰好减为零(所以抵达海面的时刻为t),根据这信息,利用(1)式,立刻能用vta表示出来。这回我们干脆就以a的方向为正方向,这样a的值为正,而初速度的值为负,所以,我们要用-v表示蛟龙号的初速度(因为题目中的v只表示速度的大小)。

把(1)式用到0~t这个时间间隔,用0替换1)中的v,用-v替换1)中的v0,我们得到


需要计算蛟龙号在t0时刻距离海平面的深度。为此,我们考虑t0~t这个时间间隔,这个间隔的长度是(t-t0)。

为了计算加速度为a(由(5)式给出),经过(t-t0)时间后速度变为零的物体在这期间内的位移,我们来计算从静止开始,加速度也为a的物体,在(t-t0)时间内的位移(相当于蛟龙号从海面开始,匀加速向下运动(t-t0)时间时的深度)。将(5)代入2a,并用(t-t0)替换(2a)中的t,立即得出

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