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曲線運動中必須分清的八組概念

2011-12-31 00:00:00張樹鋒
考試周刊 2011年86期


  曲線運動中有許多相近或者相似的概念,這些概念容易混淆,要能夠準確理解和把握曲線運動,必須分清以下八組概念。
  一、勻變速運動和曲線運動
  許多同學在學習中往往把勻變速運動和直線運動聯(lián)系起來,認為勻變速運動必然是直線運動,其實這種看法是片面的,學習中應(yīng)注意物體做曲線運動的條件和勻變速運動的條件。
  物體做曲線運動的條件是加速度和初速度不在同一直線上,而做勻變速運動的條件是加速度的大小和方向恒定不變,二者沒有必然聯(lián)系。
  勻變速運動既有直線運動(如自由落體運動等)又有曲線運動(如平拋運動)。要注意勻速圓周運動不屬于勻變速曲線運動而是一種變加速曲線運動。
  二、合運動和分運動
  一個物體的實際運動往往參與幾個運動,如過河船只的沿河岸的運動和垂直河岸的運動。我們把這幾個運動叫做實際運動的分運動,而把物體的實際運動叫做合運動。
  合運動和分運動之間具有獨立性、同時性、等效性等特點。在實際應(yīng)用中,我們通常把物體的實際運動作為合運動,然后應(yīng)用平行四邊形定則進行分解。對于船渡河、拋體運動等問題,都可以用運動合成與分解的方法處理。
  三、時間最短和路徑最短
  船渡河問題是運動合成與分解的典型問題,船渡河時存在兩個“最短”問題,那么什么情況下時間最短?什么情況下路徑最短呢?
  船渡河同時參與了“與河岸成θ角的勻速直線運動”和“順水漂流”兩個分運動。
  由于分運動和合運動的等時性,船渡河的時間等于船與河岸成θ角的勻速直線運動的時間。因此,當θ=90°時,渡河時間最短,此時船漂向下游。
  對于路徑最短問題分兩種情況討論:若v>v,船的實際位移垂直河岸路徑最短,即最短路徑等于河寬。若v<v,當v⊥v時路徑最短(如圖1所示)。
  由此可見,路徑最短時,時間不最短;時間最短時,路徑也不最短。
  四、速度偏向角和位移偏向角
  對于平拋物體的運動,我們經(jīng)常會把速度偏向角和位移偏向角混淆,往往錯誤認為平拋物體某一瞬時速度的反向延長線過拋出點。
  對于這個問題我們可以作圖分析,如圖2所示,平拋物體某一瞬時速度與初速度的夾角叫速度偏向角,而該點(圖中P點)與拋出點(圖中O點)的連線(OP)與x軸所成的角叫位移偏向角(設(shè)為β)。我們可以證明tanα=2tanβ。
  五、線速度和角速度
  線速度和角速度都是描述勻速圓周運動的質(zhì)點運動快慢的物理量。線速度側(cè)重于物體通過弧長快慢的程度(v=s/t);而角速度側(cè)重于質(zhì)點轉(zhuǎn)過角度的快慢程度(ω=θ/t)。
  它們都有一定的局限性,任何一個速度(v或ω)都無法全面反映出勻速圓周運動質(zhì)點的運動狀態(tài)。例如地球圍繞太陽的運動的線速度約為3×10m/s,這個數(shù)值是比較大的;但是它的角速度卻很小,其值約為2×10rad/s。我們不能從地球的線速度大說明它運動快,同樣也不能從地球的角速度小說明它運動慢。因此為了全面準確地描述勻速圓周運動必須同時用線速度和角速度。
  六、合外力和向心力
  任何一種曲線運動,不僅需要合外力不為零,而且需要有為它改變速度方向的向心力。但是,合外力并不一定就等于其所需要的向心力。在勻速圓周運動中,合外力等于向心力;而在非勻速圓周運動或其他曲線運動中合外力不一定等于向心力。因為合外力既有改變速度方向的效果(即向心力的效果),又有改變速度大小的效果(即切向分力的效果)。但是在某些位置,如在各力都與運動方向垂直時(無切向分力),合外力也等于向心力。
  七、圓周運動、離心運動和向心運動
  物體能否做圓周運動完全取決于向心力的供需關(guān)系。
  如果它們受到的合外力恰好等于物體所需的向心力,物體就做勻速圓周運動(如圖3中軌跡1),此時,F(xiàn)=mr
  如果物體受到的合力不足以提供物體做圓周運動的向心力,物體做離心運動(如圖3中軌跡2),此時,F(xiàn)  如果向心力突然消失(例如小球轉(zhuǎn)動時繩子突然斷裂),則物體的速度方向不再變化。由于慣性,物體將沿此時的速度方向(即切線方向)按此時的速度大小飛出(如圖3中軌跡3),這時F=0.
  如果物體受到的合力超過物體做圓周運動所需的向心力,物體做近心運動(如圖3中軌跡4),此時,F(xiàn)>mrω.
  八、繩模型和桿模型
  這是豎直平面里圓周運動的兩種典型模型,下面看一看它們的受力情況和恰好做圓周運動的臨界條件。
  “繩模型”如圖4(a)、(b)所示,沒有物體支撐的小球,在豎直平面內(nèi)做圓周運動過最高點的情況:v=,此時F=0,v是小球通過最高點的最小速度,通常叫臨界速度。
   “桿模型”如圖5(a)、(b)所示,小球在豎直平面內(nèi)做圓周運動過最高點時桿或內(nèi)外環(huán)對小球產(chǎn)生的彈力既能指向圓心,又能背離圓心.
  在最高點,V=0時,F(xiàn)=mg;當v=時,F(xiàn)=0.
  當然,我們要注意,解物理題要學會善于建立物理模型。繩模型中不一定要有繩,桿模型中也不一定要有桿。
  由此可見,如果能真正理解曲線運動中的這些關(guān)系,不僅能幫助我們更深入地理解曲線運動的本質(zhì)、特點及規(guī)律,對于我們今后學習其他類型運動也會有一定的指導作用。

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