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小船过河是典型的运动的合成与分解问题,小船在有一定流速的水中过河时,实际上参与了两个方向的分运动,即随水流的运动(水冲船的运动)和船相对水的运动(即在静水中的船的运动),船的实际运动是合运动.
运动的合成与分解是指描述运动的各物理量即位移、速度、加速度的合成与分解,由于它们都是矢量,故遵从平行四边形定则.
第一,分析对实际运动产生影响的因素有哪些,从而明确实际运动同时参与了哪几个运动. 如船渡河时,影响船运动的主要因素有两个:一是船本身的划动,二是随水的漂流. 因此,船的运动可以看成船本身的划动及随水漂流运动的合运动.
第二,要明确各个分运动各自独立,互不影响,其位移、速度、加速度各自遵循自己的规律. 如船本身的划速、位移,由船本身的动力决定,与水流速度无关. 水流速度影响的是船的实际运动而不是船本身的划动.
第三,要明确各个分运动和合运动是同时进行的. 合运动的位移、速度、加速度与各个分运动的位移、速度、加速度在同一时间(同一时刻)满足平行四边形定则. 那么,已知其中几个量可求另外几个量.
目前,小船过河问题已经变异,“升级”了,一般都是以“延伸”和“变形”的方式来考查.
一、小船过河问题的延伸
也就是对原模型改投换面进行延伸,要求能正确理解小船过河的原理.
例1 一条自西向东的河流,南北两岸分别有两个码头[A、B],如图1. 已知河宽为80m,河水水流的速度为5m/s,两个码头[A、B]沿水流的方向相距100m. 现有一种船,它在静水中的行驶速度为4m/s,若使用这种船渡河,且沿直线运动,则( )
[图1]
A. 它可以正常来往于[A、B]两个码头
B. 它只能从[A]驶向[B],无法返回
C. 它只能从[B]驶向[A],无法返回
D. 无法判断
解析 由于河宽[d=80 m,][A、B]间沿水流方向的距离为[l=100 m,]所以当船头指向正对岸时有[dl=v船v水],此时合速度刚好沿[AB]的连线,可以使船从[A]运动到[B],若从[B]向[A]运动,则由于水速大于船速,不论船向哪个方向,则渡船均不可能回到[A]点,只可能向下游运动. 选B项.
例2 如图2,甲、乙两运动员同时从水流湍急的河岸下水游泳,甲在乙的下游且速度大于乙. 欲使两人尽快在河中相遇,则应选择的游泳方向是( )
[甲][图2][乙]
A. 都沿虚线方向朝对方游
B. 都偏离虚线偏向下游方向
C. 甲沿虚线、乙偏离虚线向上游方向
D. 乙沿虚线、甲偏离虚线向上游方向
解析 若水速为零,因甲、乙相遇时相对位移是恒定的,只有甲、乙都沿虚线相向游,其相对速度最大,相遇时间最短. 在水速不为零的情况下,两者在相向做匀速直线运动的基础上,都附加了同样的沿水流方向的运动,因此不影响他们相对位移和相对速度的大小,相遇时间和水速为零的情况完全相同仍为最短. 另外,从位移合成的角度,解答如下:设水速为零时,甲、乙沿虚线相向游动时位移分别为[x甲]和[x乙],如图3,当水速不为零时,他们将在[x甲]、[x乙]的基础上都沿水流方向附加一个相同的位移[x′],由矢量合成的三角形定则,甲、乙两人的实际位移应分别是图中的[x甲′],[x乙′]. 由图看出,此时他们仍到达了河中的同一点——即相遇,其相遇时间与水速为零时一样为最短. 选A项.
[甲][图3][乙]
二、小船过河问题的变形
也就是通过改变原模型的情景,以一个全新的情景出现,同样要求能正确理解小船过河的原理.
例3 跳伞表演是人们普遍喜欢的观赏性体育项目,当运动员从直升飞机由静止跳下后,在下落过程中不免会受到水平风力的影响,则( )
A. 风力越大,运动员下落时间越长,运动员可完成更多的动作
B. 风力越大,运动员着地速度越大,有可能对运动员造成伤害
C. 运动员下落时间与风力无关
D. 运动员着地速度与风力无关
解析 运动员下落过程中,下落时间仅与竖直方向的运动有关,与水平方向的运动无关,即A项错,C项正确. 着地速度是竖直方向速度与风速的合成,即B项正确,D项错. 选BC项.
例4 民族运动会上有一骑射项目,如图3,运动员骑在奔跑的马上,弯弓放箭射击侧向的固定目标. 假设运动员骑马奔驰的速度为[v1],运动员静止时射出的弓箭速度为[v2],跑道离固定目标的最近距离为[d]. 要想命中目标且射出的箭在空中飞行时间最短,则( )
图4
A. 运动员放箭处离目标的距离为[dv2v1]
B. 运动员放箭处离目标的距离为[dv12+v222v2]
C. 箭射到固定目标的最短时间为[dv2]
D. 箭射到固定目标的最短时间为[dv22-v12]
解析 要想箭在空中飞行的时间最短时击中目标,[v2]必须垂直于[v1],并且[v1]、[v2]的合速度方向指向目标,如图5,故箭射到目标的最短时间为[dv2],C项对,D项错;运动员放箭处离目标的距离为[d2+x2],又[x=v1t=v1⋅dv2],故[d2+x2=d2+(v1dv2)2][=dv12+v22v2],A、B项错误. 选C项.
图5
例5 现代玻璃板生产线,采用触摸屏显示系统,可单独完成全线控制,翻转台灵活操作,更安全可靠,有一块宽9m的成型玻璃板以4m/s的速度连续不断地向前行进,在切割工序处,金刚钻的走刀速度为8m/s. 为了使割下的玻璃板都成规定尺寸的矩形,金刚钻割刀的轨道应如何控制?切割一次的时间为多长?
解析 玻璃板要切割成矩形,则割刀相对玻璃板的速度[v]垂直于玻璃板的速度[v玻],如图6. 设[v刀]与[v玻]方向的夹角为[θ],由几何关系,有
图6
[cosθ=v玻v刀]=[438]=[32],[θ=30°]
[v=v刀2-v玻2]=[64-48]m/s=4m/s
时间[t=xv]=[94][s=2.25 s. ]
运动的合成与分解是指描述运动的各物理量即位移、速度、加速度的合成与分解,由于它们都是矢量,故遵从平行四边形定则.
第一,分析对实际运动产生影响的因素有哪些,从而明确实际运动同时参与了哪几个运动. 如船渡河时,影响船运动的主要因素有两个:一是船本身的划动,二是随水的漂流. 因此,船的运动可以看成船本身的划动及随水漂流运动的合运动.
第二,要明确各个分运动各自独立,互不影响,其位移、速度、加速度各自遵循自己的规律. 如船本身的划速、位移,由船本身的动力决定,与水流速度无关. 水流速度影响的是船的实际运动而不是船本身的划动.
第三,要明确各个分运动和合运动是同时进行的. 合运动的位移、速度、加速度与各个分运动的位移、速度、加速度在同一时间(同一时刻)满足平行四边形定则. 那么,已知其中几个量可求另外几个量.
目前,小船过河问题已经变异,“升级”了,一般都是以“延伸”和“变形”的方式来考查.
一、小船过河问题的延伸
也就是对原模型改投换面进行延伸,要求能正确理解小船过河的原理.
例1 一条自西向东的河流,南北两岸分别有两个码头[A、B],如图1. 已知河宽为80m,河水水流的速度为5m/s,两个码头[A、B]沿水流的方向相距100m. 现有一种船,它在静水中的行驶速度为4m/s,若使用这种船渡河,且沿直线运动,则( )
[图1]
A. 它可以正常来往于[A、B]两个码头
B. 它只能从[A]驶向[B],无法返回
C. 它只能从[B]驶向[A],无法返回
D. 无法判断
解析 由于河宽[d=80 m,][A、B]间沿水流方向的距离为[l=100 m,]所以当船头指向正对岸时有[dl=v船v水],此时合速度刚好沿[AB]的连线,可以使船从[A]运动到[B],若从[B]向[A]运动,则由于水速大于船速,不论船向哪个方向,则渡船均不可能回到[A]点,只可能向下游运动. 选B项.
例2 如图2,甲、乙两运动员同时从水流湍急的河岸下水游泳,甲在乙的下游且速度大于乙. 欲使两人尽快在河中相遇,则应选择的游泳方向是( )
[甲][图2][乙]
A. 都沿虚线方向朝对方游
B. 都偏离虚线偏向下游方向
C. 甲沿虚线、乙偏离虚线向上游方向
D. 乙沿虚线、甲偏离虚线向上游方向
解析 若水速为零,因甲、乙相遇时相对位移是恒定的,只有甲、乙都沿虚线相向游,其相对速度最大,相遇时间最短. 在水速不为零的情况下,两者在相向做匀速直线运动的基础上,都附加了同样的沿水流方向的运动,因此不影响他们相对位移和相对速度的大小,相遇时间和水速为零的情况完全相同仍为最短. 另外,从位移合成的角度,解答如下:设水速为零时,甲、乙沿虚线相向游动时位移分别为[x甲]和[x乙],如图3,当水速不为零时,他们将在[x甲]、[x乙]的基础上都沿水流方向附加一个相同的位移[x′],由矢量合成的三角形定则,甲、乙两人的实际位移应分别是图中的[x甲′],[x乙′]. 由图看出,此时他们仍到达了河中的同一点——即相遇,其相遇时间与水速为零时一样为最短. 选A项.
[甲][图3][乙]
二、小船过河问题的变形
也就是通过改变原模型的情景,以一个全新的情景出现,同样要求能正确理解小船过河的原理.
例3 跳伞表演是人们普遍喜欢的观赏性体育项目,当运动员从直升飞机由静止跳下后,在下落过程中不免会受到水平风力的影响,则( )
A. 风力越大,运动员下落时间越长,运动员可完成更多的动作
B. 风力越大,运动员着地速度越大,有可能对运动员造成伤害
C. 运动员下落时间与风力无关
D. 运动员着地速度与风力无关
解析 运动员下落过程中,下落时间仅与竖直方向的运动有关,与水平方向的运动无关,即A项错,C项正确. 着地速度是竖直方向速度与风速的合成,即B项正确,D项错. 选BC项.
例4 民族运动会上有一骑射项目,如图3,运动员骑在奔跑的马上,弯弓放箭射击侧向的固定目标. 假设运动员骑马奔驰的速度为[v1],运动员静止时射出的弓箭速度为[v2],跑道离固定目标的最近距离为[d]. 要想命中目标且射出的箭在空中飞行时间最短,则( )
图4
A. 运动员放箭处离目标的距离为[dv2v1]
B. 运动员放箭处离目标的距离为[dv12+v222v2]
C. 箭射到固定目标的最短时间为[dv2]
D. 箭射到固定目标的最短时间为[dv22-v12]
解析 要想箭在空中飞行的时间最短时击中目标,[v2]必须垂直于[v1],并且[v1]、[v2]的合速度方向指向目标,如图5,故箭射到目标的最短时间为[dv2],C项对,D项错;运动员放箭处离目标的距离为[d2+x2],又[x=v1t=v1⋅dv2],故[d2+x2=d2+(v1dv2)2][=dv12+v22v2],A、B项错误. 选C项.
图5
例5 现代玻璃板生产线,采用触摸屏显示系统,可单独完成全线控制,翻转台灵活操作,更安全可靠,有一块宽9m的成型玻璃板以4m/s的速度连续不断地向前行进,在切割工序处,金刚钻的走刀速度为8m/s. 为了使割下的玻璃板都成规定尺寸的矩形,金刚钻割刀的轨道应如何控制?切割一次的时间为多长?
解析 玻璃板要切割成矩形,则割刀相对玻璃板的速度[v]垂直于玻璃板的速度[v玻],如图6. 设[v刀]与[v玻]方向的夹角为[θ],由几何关系,有
图6
[cosθ=v玻v刀]=[438]=[32],[θ=30°]
[v=v刀2-v玻2]=[64-48]m/s=4m/s
时间[t=xv]=[94][s=2.25 s. ]