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        用直線運(yùn)動的公式直接解平拋運(yùn)動算錯嗎

        2019-12-29 03:23:30周久波
        物理通報 2019年1期
        關(guān)鍵詞:矢量圖夾角小球

        周久波

        (連南民族高級中學(xué) 廣東 清遠(yuǎn) 513300)

        【例1】一物體在0.8 m高處以3 m/s水平拋出,求落地時速度大小(g取10 m/s2).

        分析:部分學(xué)生解答如下.

        代入數(shù)據(jù)得

        vt=5 m/s

        而一般解法應(yīng)該是:

        豎直方向由

        vy=4 m/s

        再由

        代入數(shù)據(jù)得

        v=5 m/s

        在勻變速直線運(yùn)動中,學(xué)生已經(jīng)熟練掌握了勻變速直線運(yùn)動的公式,常用的有5個,分別是

        Δs=aT2

        我們知道,它們不僅適用于勻減速、勻加速,還適用于先勻減速后勻加速的往返情況(如,豎直上拋運(yùn)動等),它們都是矢量式,對于直線運(yùn)動的情況,在規(guī)定正方向后,矢量運(yùn)算就可以轉(zhuǎn)化為代數(shù)運(yùn)算.其實(shí),這些公式在注意其矢量性后,在勻變速曲線中也可以大顯身手,本文重點(diǎn)分析前3個公式(另外兩個可由讀者自己證明).

        1 證明vt=v0+at可以用于勻變速曲線運(yùn)動

        如圖1所示,一小球以v0斜向上拋出,v0與水平方向夾角為θ,求t時間后小球速度.

        圖1 斜拋小球情形

        解:因?yàn)榧铀俣葹間,則

        vt=v0+at

        變?yōu)?/p>

        vt=v0+gt

        如圖2所示,做出v0及gt的矢量圖,并首尾相連,圖中vt則為t時間后小球速度.

        圖2 幾個物理量的矢量圖

        根據(jù)余弦定理,速度大小可以表示為

        又由于

        速度方向與水平方向夾角

        (當(dāng)φ為正,表示速度斜向上,當(dāng)φ為負(fù),表示速度斜向下.)

        我們再用一般的解法來解,然后對比結(jié)果.

        解:如圖3所示,v0可以分解為水平方向的v0cosθ和豎直方向的v0sinθ.

        規(guī)定豎直向上為正方向,則

        vy=v0sinθ-gt

        圖3 速度的分解

        又由于

        vx=v0cosθ

        則t時間后小球速度大小為

        將完全平方公式展開,很容易證明出和上面的結(jié)果是一樣的.

        同樣,速度方向與水平方向夾角表達(dá)式也與上面結(jié)果一樣.

        可以看出

        vt=v0+at

        可以用于勻變速曲線運(yùn)動(但一定注意其矢量性),在上面的例子中,公式

        vt=v0+gt

        也體現(xiàn)了拋體運(yùn)動是由勻速直線和自由落體兩個運(yùn)動合成的.

        2 證明可以用于勻變速曲線運(yùn)動

        如圖4所示,一小球以v0斜向上拋出,v0與水平方向夾角為θ,求t時間內(nèi)小球位移.

        圖4 斜拋小球情形

        解:因?yàn)榧铀俣葹間,則

        變?yōu)?/p>

        圖5 幾個物理量的矢量圖

        根據(jù)余弦定理,位移大小可以表示為

        又由于

        位移方向與水平方向夾角

        (當(dāng)φ為正,表示位移斜向上,當(dāng)φ為負(fù),表示位移斜向下.)

        同樣,用一般的解法來解(此處不再解),然后對比結(jié)果也是一樣的.所以

        可以用于勻變速曲線運(yùn)動(但一定注意其矢量性),在上面的例子中,公式

        也再次體現(xiàn)了拋體運(yùn)動是由勻速直線和自由落體兩個運(yùn)動合成的.

        3 證明可以用于勻變速曲線運(yùn)動

        因?yàn)榧铀俣葹間,則

        變?yōu)?/p>

        根據(jù)向量的性質(zhì),上式變?yōu)?/p>

        vt2-v02=2gscosα

        (α為重力加速度與位移的夾角)

        又由于

        h=scosα(對于斜向上拋,h可以為正,也可以為負(fù))

        所以大小上滿足

        其與動能定理

        4 結(jié)束語

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