浅谈运动学中的追及问题

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  “追及”、“相碰”是运动学中研究同一直线上两个物体的运动时经常涉及的两类问题,也是匀变速直线运动规律在实际问题中的具体应用。两者的基本特征相同,都是在运动过程中两个物体处在同一位置。处理方法也大同小异。
  
  一、“追及”、“相碰”的特征
  
  1、“追及”的主要条件是两物体在追赶过程中处在同一位置。可分为以下三种情况:
  (1)初速度为零的加速运动的物体甲追赶同方向的匀速运动的物体乙时,一定能够追上,追上之前两者有最大距离的条件是两物体速度相等,即:v甲=v乙。
  (2)匀速运动的物体甲追赶同方向做匀速运动的物体乙时,存在一个恰好追上或恰好追不上的临界条件,是两物体速度相等,即:v甲=v乙。此临界条件给出了一个判断此种追赶情形能否追上的方法,即可通过比较两物体在同一位置时的速度关系来看:①若v甲>v乙则能追上。②v甲<v乙,则追不上。如果始终追不上,当两物体速度相等时,两物体间有最小距离△smin。
  (3)匀减速运动的物体追赶同方向的匀速运动物体时,情形与第二种相类似。
  2、两个物体恰能“相碰”或“避碰”的临界条件是两物体处在同一位置时,两物体的速度恰好相同。
  
  二、解这两类问题的思路
  
  1、根据对两物体运动过程的分析,画出物体的运动示意图。
  2、根据两物体运动过程性质,分别列出两物体的位移方程,要注意将两物体运动时间的关系反映在方程中。
  3、由运动示意图找出两物体位移关系方程。
  4、联立方程求解。
  
  三、分析问题时应注意
  
  1、抓住一个条件、两个关系。所谓一个条件是两物体满足的临界条件。譬如两物体距离最小、最大,恰好追上或恰好追不上等,两个关系是时间关系和位移关系,其中通过画草图找出两物体位移之间的数量关系是解题的突破口。因此,在学习中一定要养成画草图分析问题的良好习惯,它能够帮助我们理解题意、启迪思维。
  2、若被追赶的物体做匀速运动,还得注意追上前该物体是否停止运动。
  3、仔细审题,充分挖掘题设中的隐含条件和关键字眼,如“刚好”、“恰巧”、“最多”、“至少”等。往往对应一个临界状态,满足相应的临界条件是解题的关键所在。
  4、在解题方法上,常用分析法、公式法、图象法、极值法、相对运动等方法的综合应用。
  
  四、典型例题精析
  
  一小汽车从静止开始以3m/s2的加速度行驶,恰有一辆自行车以6m/s的速度从车边匀速驶过。
  (1)汽车从开动后在追上自行车之前经多久时间后两者相距最远?此时距离是多少?
  (2)什么时候追上自行车,此时汽车的速度是多少?
  对设问(1):
  解法Ⅰ(分析法):汽车开动后速度由零逐渐增大,而自行车的速度是定值,当v汽<v自时,两者距离越来越大,所以当v汽=v自时,两车之间距离最大。
  有v汽=at=v自 t= △
  解法Ⅱ(利用相对运动求解):以自行车为参考系,汽车追上自行车之前初速度v0=v汽-v自=0-6=-6m/s,加速度。汽车远离自行车作减速运动(与自行车对地运动方向相反),当速度为vt=0时相对自行车最远。
  即
  即
  负号表示汽车比自行车落后。
  解法Ⅲ(极值法):设汽车在追上自行车之前经时间t两车相距最远,则:
  △s=s自-s汽=v自t-
  利用二次函数求极值条件知:
  当时,△s最大
  △smax=6×2-×22=6m
  对设问(2):
  汽车追上自行车时,两车位移相等,即v自t1=at12
  代入数值得t1=4s,v汽=at1=3×4m/s=12m/s
  解法Ⅳ(图象法):如右图所示,作出v-t图象
  (1)设相遇前ts两车速度相等,v汽=at=6m/s,即3t=6,解得t=2s时,两车相距最远,两车位移差△s=×6×2=6m。
  (2)由图可知,t=2s以后,若两车位移相等,即v——t图线与时间轴所夹的“面积”相等。
  由几何关系可知,相遇时间t=4s,此时v汽=2v自=12m/s。
  
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