在一個系統(tǒng)中,出現(xiàn)兩個或多個物體相互作用的過程,它們的速度變化到相等時,會出現(xiàn)相應的臨界問題或極值問題,尤其是發(fā)生彈性碰撞的兩個物體,碰撞前后的相對速度大小相等,方向相反.如果我們在討論物理問題時,抓住速度相等的規(guī)律,會使很多復雜問題的解決變得方便、快捷。
一、追及、相遇問題的臨界狀態(tài)時速度相等
例1 火車以速度ν1勻速運動,司機發(fā)現(xiàn)前方同軌道上相距s0處有另一火車沿同方向以速度v2做勻速運動.己知v1>v2,司機立即緊急剎車,加速度大小為a。要使兩車不相撞,a應滿足什么條件?
解:抓住兩車速度相等,再列位移關系式是解題的關鍵?;疖噭x車后雖做勻減速運動,但在其速度減小至與v2相等之前,因v1>v2,兩車距仍將逐漸減小;當兩車速度相等時,兩車間距最小,若此時不相撞,以后兩車間距將增大,就不會相撞.設兩車運動時間為t,不相撞所滿足的條件為:
.
解得: .
易錯點評析:有些同學誤認為不相撞的條件是火車的速度減為零時,兩車的位移之差小于徹,而沒考慮到當兩車速度相等時,如果恰好接觸,以后火車繼續(xù)減速,兩車之間的距離就要拉大.
拓展與建議:當兩物體做同向運動時,速度相等是能追上、追不上、兩者距離存在極值的臨界狀態(tài).
(1)當追者A速度較大旦做減速運動,被追者B做勻速運動,要討論兩者速度相等時看SA與SB 相的大小關系(設A、B開始相距S0).
①當VA=VB時SA-SB
?、飘斪氛逜作初速較小的勻加速運動,被追者B做速度較大的勻速運動,討論兩者速度相等時,看SA與SB的大小關系(設A、B開始相距S0).
?、佼擵A=VB,此時兩者間有最大距離;
?、诋敃rSA-SB=S0時,此時A追上B.
分析追及、相遇問題時,要充分挖掘題目中的隱含條件,如“恰好”、“最多”、“至少”等往往對應一個臨界狀態(tài),還應特別注意是否存在相遇兩次的可能性,以及被追物體在做勻減速運動時可能未被追及巳先停止等情況.抓住速度相等可能是一個重要的突破口。此外,還可通過畫“速度一 時間”圖象解這類題。
二、速度相等之時彈簧最短或最長
例2 如圖1所示,在光滑水平長直軌道上, 靜止著兩個質量分別為m1、m2的小球,兩小球之間用勁度系數(shù)為k,自然長度為l的 輕彈簧聯(lián)結.現(xiàn)突然給左端小球m1 一個向右的速度v0,求彈簧的最小長度和最大長度.
解:m1、m2和彈簧組成的系統(tǒng)中,在水平方向上只有相互間的彈力,沒有外力,故動量、機械能都守恒.彈簧壓縮量最大,即彈簧長度最短,出現(xiàn)在m1、m2速度相同時刻。因為在此之前v1>v2,彈簧不斷被壓縮;m1、m2第一次共速之后,由于彈簧處于壓縮狀態(tài),m2受到水平向右的彈力,將不斷加速. m1受到水平向左的彈力,速度將減小,直到彈簧恢復原長,此 時v2>c1d369485caafa90462f3c9dfb27a35b97c227aa3b51f69676e370920d3449e7v1;此后彈簧將伸長,m2減速,m1加速.兩者之間的距離不斷增大,直到m1、m2第二次共速,彈簧伸長量達到最大,一即彈簧長度最長.設彈簧為X,根一 據(jù)系統(tǒng)動量守恒 及機械能守恒
解