关于连接物体运动的合成与分解问题讨论
吴明辉 赵中泽 杨国平
(云南省昆明市云南大学附属中学 650000)
电子邮箱:[email protected];电话:[1**********]
摘要:连接物体运动的合成与分解问题在中学里经常遇到,解决这类问题主要用“微元法”和“速度分解法”,两种方法的使用各有其特点,我们通过实例对其加以说明。同时,对使用“速度分解法”时学生容易犯的错误进行讨论。
关键词:连接物体、运动的合成与分解、“微元法”、“速度分解法”。
在连接物体运动的合成与分解问题中,我们经常遇到两个物体通过一根绳子跨过定滑轮连接在一起时,已知一个物体的速度,求解某一条件下另一物体的速度。对于这样的问题,我们通常使用“微元法”和“速度分解法”进行求解。如下面这一个我们十分常见的例子。 实例1、如图1所示,在水平面上放一个物体,一辆小车通过不可伸长的细绳跨过高处的定滑轮拉物体,使物体在水平面上运动。若车以大小不变的速度v 运动,当绳子与水平方向成θ角时,物体前进的瞬时速度是多少? 解析:方法一、“微元法”
物体以质点表示,在很短的时间∆t 内,物体由位置A 向前运动到B 点,绳与滑轮的接触点记为O 点,在OA 上取OB 的等长OC ,连接BC 。
设∆t 时间内物体的位移为∆s ',小车的位移为∆s 。
图
1
图2
则AC =∆s ,AB =∆s ',如图2所示。由于时间很短,绳子OA 旋转到OB 的角度也很小,而
AC ∆s
,而AC =∆s ,AB =∆s ',所以cos θ=,AB ∆s '
∆s '∆s , v =设物体的速度为v 物,又由于时间∆t 很短,平均速度等于瞬时速度,v 物=,所∆t ∆t
cos θ=OC =OB ,则可近似∠OCB =90,得:
以cos θ=
v v ∆t v
=,v 物=。
cos θv 物∆t v 物
方法二、“速度分解法”
物体在前进的过程中,它的合速度v 物水平向左,相对于O 点,其运动达到了两个效果,
即:沿绳子方向靠近O 点和绕O 点旋转,根据其效果,把合速度v 物分解到沿绳子方向的v 1和垂直于绳子方向的v 2,分别叫径向速度和切向速度,描述物体靠近O 点和绕O 点旋转的快慢。如图3所示。
可得:v 物=
v 1v
,而v 1=v ,即:v 物=。 cos θcos θ
图3
由以上的分析可知,在这类题目中,用“微元法”一般
2
会比较麻烦,用“速度分解法”则显得比较简单。但是,用“速度分解法”则必须注意分速度与其它已知的速度之间是否有直接的关系,如下一题的情况。
实例2、如图4所示,两定滑轮间距离为2d ,质量相等的小球A 和B 通过绕过定滑轮的绳子带动小球C 上升,在某一时刻连接C 球两绳夹角为2α时,A 、B 两球下落的速度为v ,不计滑轮摩擦和绳子的质量,绳子也不可伸长。求此时C 球上升的速度是多大? 解析:法一、“微元法”
如图5所示,C 球此时所在的位置记为C 点,设C 球的速度为v C ,其方向向上。经过很短的一段时间∆t ,到达其上方D 点,在OC 上取与OD 等长的一段OE ,连接DE ,设在该段时间内A 的位移为∆s ,C 的位移为∆s ',CD =∆s ',CE =∆s 。由于∆t 很短,则∠ODE =∠OED ,近似取900,那么DE 垂直于OC ,得:cos α=度等于瞬时速度。
有v =
图4
图5
CE ∆s
,即:cos α=,又由于时间∆t 很短,平均速
'CD ∆s
∆s ∆s 'v ∆t v v
, v C =,可得:cos α=。 =⇒v C =∆t ∆t v C ∆t v C cos α
方法二、“速度分解法”
此题在运用“速度分解法”时,学生特别容易出现如图6所示的分解方法。把v C 分解到两根绳子的方向,分别为v 1和v 2。根据对称性,得到v 1=v 2。在合速度v C 和分速度v 1、v 2所构成的矢量三角形中,根据正弦定理,有:
图6
v C v 1
=⇒v C =2v 1cos α。又由于v 1沿绳子的方向,所以v 1=v ,则:0
sin αsin(180-2α)
v C =2v cos α。而这一结果是错误的,那问题出在哪里呢?那是因为想当然的认为v 1等于
v 了。v 等于绳子缩短的速度,但v 1不等于绳子缩短的速度,因为v 2还会影响到绳子缩短的速度。
关于这一点,我们可做如下讨论以证明。
'把v 2分解到到绳子OC 方向和其垂直方向,分别为v 2
'',如图7所示。此时可看出,v 1和v 2'在绳子OC 方向,和v 2
''与该方方向垂直,绳子OC 方向的运动和垂直绳子OC 而v 2
方向的运动具有独立性,互不影响,绳子OC 方向的速度体',垂直绳子OC 现了绳子OC 的缩短快慢,其大小为v 1+v 2
图7
''反映了绳子OC 绕O 点旋转的快慢。绳子OC 的缩短等于A 的下降速度,即方向的速度v 2'。 v =v 1+v 2
学生出现这一错误,主要是如下原因:想当然的把力的分解应用到速度分解中,而对运动的特点及各方向运动的互相影响不加以考虑。
当然,把v C 沿OC 和O 'C 分解为v 1和v 2的这种分解方式是正确的,只是但所得到的分速度与已知的速度v 之间没有直接的关系,所以代入v 1=v 计算就出错了!
可以根据运动的效果对v C 进行分解,C 物体向上运动的同时使得绳子缩短,也就是在径向向O 运动,同时绕O 转动,那么把v C 分解到沿OC 方
向和垂直于OC 方向,得到v 1和v 2,如图8所示。同时,v 1和v 2也使得绳子CO '在缩短和旋转。此时在合速度和分速度所构成的矢量三角形中,可得v 1=v C cos α,由于v 1为径
向速度,与切向速度v 2无关,故v 1=v ,所以v =v C cos α,即v C =
图8
v
。 cos α
对于此题,我们还可以借用下面这一道十分常见的题的思想,这对学生的理解十分有帮助。
实例:如图9所示,套在竖直细杆上的环A 由跨过定滑轮的不可伸长的轻绳与重物B 相连。由于B 的质量比较大,故在释放B 后,A 将沿杆上升,当A 上升到与竖直杆成θ角的位置时,B 的速度为v ,此时A 环上升的速度v A 为多少?
解析:该题当然也可以用“微元法”求解,但如果用“速度分解法”求解此题,A 物体的分速度能够很好的反映其运动的实际效果。v A 沿杆竖直向上,这一运动达到两个效果:AO 绳的缩短快慢和AO 绳绕O 点的旋转快慢。这两个运动是互相独立的。把v A 沿绳的方向和垂直于绳的方向进行分解得到v 1和v 2,如图10所示。
在速度的矢量三角形中,v 1=v A cos θ,由于绳AO 的缩短和绳OB 的伸长速度是相同的,故v 1=v ,可得:v A =
A
图9
v
2
图10
v
。 cos θ
讨论完实例,对于例2,我们可以把C 物体想象为套在一光滑竖直杆上,同时去掉右边的B 物体,这时A 、C 的运动情况是相同的,再把v C 用例3的方法进行分解,可得如图11所示的情况。可以很容易得到v C =
v
。其实,在例2中,绳cos θ
OC 和绳O 'C 对球是分别互相束缚,一边使小球运动,另一边把小球的运动约束在竖直方向。
图11
在类似的连接体问题中,合速度的判断特别重要,对于初学这一内容的同学而言,容易犯错误,需要强调物体实际运动的速度为合速度。当学生对“微元法”十分熟悉时,在对分解有疑问的情况下,用“微元法”进行求解,一般不会出错。当然,运用“速度分解法”解决问题,可以使解答过程变得十分简洁,但在分解时,要注意根据运动的效果进行分解,使得分速度能够完全的描述物体的物理意义,或者分速度与已知的条件存在明显的直接关系,以利于计算。
参 考 文 献
张志峰,《巧用速度投影定理解决绳杆连接体速度问题》,CN61-1033/G4,《中学物理教学参考》,2008年第4期,P27
关于连接物体运动的合成与分解问题讨论
吴明辉 赵中泽 杨国平
(云南省昆明市云南大学附属中学 650000)
电子邮箱:[email protected];电话:[1**********]
摘要:连接物体运动的合成与分解问题在中学里经常遇到,解决这类问题主要用“微元法”和“速度分解法”,两种方法的使用各有其特点,我们通过实例对其加以说明。同时,对使用“速度分解法”时学生容易犯的错误进行讨论。
关键词:连接物体、运动的合成与分解、“微元法”、“速度分解法”。
在连接物体运动的合成与分解问题中,我们经常遇到两个物体通过一根绳子跨过定滑轮连接在一起时,已知一个物体的速度,求解某一条件下另一物体的速度。对于这样的问题,我们通常使用“微元法”和“速度分解法”进行求解。如下面这一个我们十分常见的例子。 实例1、如图1所示,在水平面上放一个物体,一辆小车通过不可伸长的细绳跨过高处的定滑轮拉物体,使物体在水平面上运动。若车以大小不变的速度v 运动,当绳子与水平方向成θ角时,物体前进的瞬时速度是多少? 解析:方法一、“微元法”
物体以质点表示,在很短的时间∆t 内,物体由位置A 向前运动到B 点,绳与滑轮的接触点记为O 点,在OA 上取OB 的等长OC ,连接BC 。
设∆t 时间内物体的位移为∆s ',小车的位移为∆s 。
图
1
图2
则AC =∆s ,AB =∆s ',如图2所示。由于时间很短,绳子OA 旋转到OB 的角度也很小,而
AC ∆s
,而AC =∆s ,AB =∆s ',所以cos θ=,AB ∆s '
∆s '∆s , v =设物体的速度为v 物,又由于时间∆t 很短,平均速度等于瞬时速度,v 物=,所∆t ∆t
cos θ=OC =OB ,则可近似∠OCB =90,得:
以cos θ=
v v ∆t v
=,v 物=。
cos θv 物∆t v 物
方法二、“速度分解法”
物体在前进的过程中,它的合速度v 物水平向左,相对于O 点,其运动达到了两个效果,
即:沿绳子方向靠近O 点和绕O 点旋转,根据其效果,把合速度v 物分解到沿绳子方向的v 1和垂直于绳子方向的v 2,分别叫径向速度和切向速度,描述物体靠近O 点和绕O 点旋转的快慢。如图3所示。
可得:v 物=
v 1v
,而v 1=v ,即:v 物=。 cos θcos θ
图3
由以上的分析可知,在这类题目中,用“微元法”一般
2
会比较麻烦,用“速度分解法”则显得比较简单。但是,用“速度分解法”则必须注意分速度与其它已知的速度之间是否有直接的关系,如下一题的情况。
实例2、如图4所示,两定滑轮间距离为2d ,质量相等的小球A 和B 通过绕过定滑轮的绳子带动小球C 上升,在某一时刻连接C 球两绳夹角为2α时,A 、B 两球下落的速度为v ,不计滑轮摩擦和绳子的质量,绳子也不可伸长。求此时C 球上升的速度是多大? 解析:法一、“微元法”
如图5所示,C 球此时所在的位置记为C 点,设C 球的速度为v C ,其方向向上。经过很短的一段时间∆t ,到达其上方D 点,在OC 上取与OD 等长的一段OE ,连接DE ,设在该段时间内A 的位移为∆s ,C 的位移为∆s ',CD =∆s ',CE =∆s 。由于∆t 很短,则∠ODE =∠OED ,近似取900,那么DE 垂直于OC ,得:cos α=度等于瞬时速度。
有v =
图4
图5
CE ∆s
,即:cos α=,又由于时间∆t 很短,平均速
'CD ∆s
∆s ∆s 'v ∆t v v
, v C =,可得:cos α=。 =⇒v C =∆t ∆t v C ∆t v C cos α
方法二、“速度分解法”
此题在运用“速度分解法”时,学生特别容易出现如图6所示的分解方法。把v C 分解到两根绳子的方向,分别为v 1和v 2。根据对称性,得到v 1=v 2。在合速度v C 和分速度v 1、v 2所构成的矢量三角形中,根据正弦定理,有:
图6
v C v 1
=⇒v C =2v 1cos α。又由于v 1沿绳子的方向,所以v 1=v ,则:0
sin αsin(180-2α)
v C =2v cos α。而这一结果是错误的,那问题出在哪里呢?那是因为想当然的认为v 1等于
v 了。v 等于绳子缩短的速度,但v 1不等于绳子缩短的速度,因为v 2还会影响到绳子缩短的速度。
关于这一点,我们可做如下讨论以证明。
'把v 2分解到到绳子OC 方向和其垂直方向,分别为v 2
'',如图7所示。此时可看出,v 1和v 2'在绳子OC 方向,和v 2
''与该方方向垂直,绳子OC 方向的运动和垂直绳子OC 而v 2
方向的运动具有独立性,互不影响,绳子OC 方向的速度体',垂直绳子OC 现了绳子OC 的缩短快慢,其大小为v 1+v 2
图7
''反映了绳子OC 绕O 点旋转的快慢。绳子OC 的缩短等于A 的下降速度,即方向的速度v 2'。 v =v 1+v 2
学生出现这一错误,主要是如下原因:想当然的把力的分解应用到速度分解中,而对运动的特点及各方向运动的互相影响不加以考虑。
当然,把v C 沿OC 和O 'C 分解为v 1和v 2的这种分解方式是正确的,只是但所得到的分速度与已知的速度v 之间没有直接的关系,所以代入v 1=v 计算就出错了!
可以根据运动的效果对v C 进行分解,C 物体向上运动的同时使得绳子缩短,也就是在径向向O 运动,同时绕O 转动,那么把v C 分解到沿OC 方
向和垂直于OC 方向,得到v 1和v 2,如图8所示。同时,v 1和v 2也使得绳子CO '在缩短和旋转。此时在合速度和分速度所构成的矢量三角形中,可得v 1=v C cos α,由于v 1为径
向速度,与切向速度v 2无关,故v 1=v ,所以v =v C cos α,即v C =
图8
v
。 cos α
对于此题,我们还可以借用下面这一道十分常见的题的思想,这对学生的理解十分有帮助。
实例:如图9所示,套在竖直细杆上的环A 由跨过定滑轮的不可伸长的轻绳与重物B 相连。由于B 的质量比较大,故在释放B 后,A 将沿杆上升,当A 上升到与竖直杆成θ角的位置时,B 的速度为v ,此时A 环上升的速度v A 为多少?
解析:该题当然也可以用“微元法”求解,但如果用“速度分解法”求解此题,A 物体的分速度能够很好的反映其运动的实际效果。v A 沿杆竖直向上,这一运动达到两个效果:AO 绳的缩短快慢和AO 绳绕O 点的旋转快慢。这两个运动是互相独立的。把v A 沿绳的方向和垂直于绳的方向进行分解得到v 1和v 2,如图10所示。
在速度的矢量三角形中,v 1=v A cos θ,由于绳AO 的缩短和绳OB 的伸长速度是相同的,故v 1=v ,可得:v A =
A
图9
v
2
图10
v
。 cos θ
讨论完实例,对于例2,我们可以把C 物体想象为套在一光滑竖直杆上,同时去掉右边的B 物体,这时A 、C 的运动情况是相同的,再把v C 用例3的方法进行分解,可得如图11所示的情况。可以很容易得到v C =
v
。其实,在例2中,绳cos θ
OC 和绳O 'C 对球是分别互相束缚,一边使小球运动,另一边把小球的运动约束在竖直方向。
图11
在类似的连接体问题中,合速度的判断特别重要,对于初学这一内容的同学而言,容易犯错误,需要强调物体实际运动的速度为合速度。当学生对“微元法”十分熟悉时,在对分解有疑问的情况下,用“微元法”进行求解,一般不会出错。当然,运用“速度分解法”解决问题,可以使解答过程变得十分简洁,但在分解时,要注意根据运动的效果进行分解,使得分速度能够完全的描述物体的物理意义,或者分速度与已知的条件存在明显的直接关系,以利于计算。
参 考 文 献
张志峰,《巧用速度投影定理解决绳杆连接体速度问题》,CN61-1033/G4,《中学物理教学参考》,2008年第4期,P27