
素養(yǎng)提升課(一) 小船渡河與關(guān)聯(lián)速度問題 1.進(jìn)一步理解合運(yùn)動與分運(yùn)動,掌握運(yùn)動合成與分解的方法。 2.能利用運(yùn)動的合成與分解的知識,分析小船渡河問題和關(guān)聯(lián)速度問題。 小船渡河問題 1.運(yùn)動分析:小船渡河時(shí),同時(shí)參與了兩個(gè)分運(yùn)動:一個(gè)是船相對水的運(yùn)動(即船在靜水中的運(yùn)動),一個(gè)是船隨水漂流的運(yùn)動。 2.兩類常見問題 (1)渡河時(shí)間問題: ①渡河時(shí)間t取決于河寬d及船沿垂直河岸方向上的速度大小,即t=dv⊥。 ②若要渡河時(shí)間最短,只要使船頭垂直于河岸航行即可,如圖所示,此時(shí)t=dv船。 (2)最短位移問題: ①若v水v船,如圖乙所示,從出發(fā)點(diǎn)A開始作矢量v水,再以v水末端為圓心,以v船的大小為半徑畫圓弧,自出發(fā)點(diǎn)A向圓弧作切線即為船位移最小時(shí)的合運(yùn)動的方向。這時(shí)船頭與河岸夾角θ滿足cos θ=v船v水,最短位移x短=dcosθ。 【典例1】 一小船渡河,河寬d=180 m,水流速度v1=2.5 m/s,船在靜水中的速度為v2=5 m/s,則: (1)欲使船在最短的時(shí)間內(nèi)渡河,船頭應(yīng)朝什么方向?用多長時(shí)間?位移是多少? (2)欲使船渡河的航程最短,船頭應(yīng)朝什么方向?用多長時(shí)間?位移是多少? (3)如果其他條件不變,水流速度變?yōu)? m/s。船過河的最短時(shí)間和最小位移是多少? [思路點(diǎn)撥] 求解小船渡河問題應(yīng)理清以下問題: (1)船頭指向是小船在靜水中的速度的方向; (2)小船實(shí)際運(yùn)動的方向是合速度的方向; (3)v水>v船時(shí),小船不能垂直河岸渡河。 [解析] (1)欲使船在最短時(shí)間內(nèi)渡河,船頭應(yīng)朝垂直河岸方向,當(dāng)船頭垂直河岸時(shí),如圖甲所示。 時(shí)間t=dv2=1805 s=36 s v合=v12+v22=552 m/s 位移為x=v合t=905 m。 (2)欲使船渡河航程最短,應(yīng)使合運(yùn)動的速度方向垂直河岸,船頭應(yīng)朝上游與河岸成某一夾角β,如圖乙所示,有v2cos β=v1,得β=60°。 最小位移為xmin=d=180 m 所用時(shí)間t′=dv合'=dv2sinβ=180532 s=243 s。 (3)最短渡河時(shí)間只與v2有關(guān),與v1無關(guān),當(dāng)船頭垂直于河岸渡河時(shí)時(shí)間最短,t=dv2=36 s;當(dāng)水流速度變?yōu)? m/s時(shí),v1>v2,則合速度不可能垂直于河岸,無法垂直渡河。如圖丙所示,以v1矢量的末端為圓心、以矢量v2的大小為半徑畫弧,從v1矢量的始端向圓弧作切線,則合速度沿此切線方向時(shí)航程最短,設(shè)船頭與上游河岸夾角為α,則cos α=v2v1,最小位移為x′min=dcosα=v1v2d=65×180 m=216 m。 [答案] (1)船頭朝垂直于河岸方向 36 s 905 m (2)船頭偏向上游,與河岸夾角為60° 243 s 180 m (3)36 s 216 m 研究小船渡河問題的思路 (1)研究小船渡河時(shí)間→應(yīng)用v船垂直于河岸的分速度求解,與v水的大小無關(guān)。 (2)分析小船速度→可畫出小船的速度分解圖進(jìn)行分析。 (3)研究小船渡河位移→要對小船的合運(yùn)動進(jìn)行分析,必要時(shí)畫出位移合成圖。 [跟進(jìn)訓(xùn)練] 1.(2022·重慶南開中學(xué)高一期末)如圖所示,兩岸平行的小河,水流速度恒為v=4 m/s,小船自A處出發(fā),沿航線AB渡河,到達(dá)對岸B處。AB與下游河岸的夾角θ=37°。取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,則小船在靜水中的速度不可能為( ) A.2.2 m/s B.2.4 m/s C.4 m/s D.6 m/s A [船的最小速度為v船=v sin 37°=4×0.6 m/s=2.4 m/s,故A不可能,BCD可能。] 2.(多選)一快艇從離岸邊100 m遠(yuǎn)的河流中央向岸邊行駛。已知快艇在靜水中的速度圖像如圖甲所示;河中各處水流速度相同,且速度圖像如圖乙所示,則( ) A.快艇的運(yùn)動軌跡一定為直線 B.快艇的運(yùn)動軌跡一定為曲線 C.快艇最快到達(dá)岸邊,所用的時(shí)間為20 s D.快艇最快到達(dá)岸邊,經(jīng)過的位移為100 m BC [兩分運(yùn)動一個(gè)是勻加速直線運(yùn)動,另一個(gè)是勻速直線運(yùn)動,知合初速度的方向與合加速度的方向不在同一直線上,合運(yùn)動為曲線運(yùn)動,故A錯(cuò)誤,B正確;當(dāng)快艇相對于靜水的速度方向垂直于河岸時(shí),時(shí)間最短,垂直于河岸方向上的加速度a=0.5m/s2,由d=12at 2,得t=20 s,位移應(yīng)大于100 m,選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。] 關(guān)聯(lián)速度問題 1.關(guān)聯(lián)速度 關(guān)聯(lián)體一般是兩個(gè)或兩個(gè)以上由輕繩或輕桿聯(lián)系在一起,或直接擠壓在一起的物體,它們的運(yùn)動簡稱為關(guān)聯(lián)運(yùn)動。一般情況下,在運(yùn)動過程中,相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)物體不是都沿繩或桿運(yùn)動的,即二者的速度通常不同,但卻有某種聯(lián)系,我們稱二者的速度為關(guān)聯(lián)速度。 2.關(guān)聯(lián)速度的思路 (1)確定合運(yùn)動的方向:物體實(shí)際運(yùn)動的方向就是合運(yùn)動的方向,即合速度的方向。 (2)確定合運(yùn)動的兩個(gè)效果。 用輕繩或可自由轉(zhuǎn)動的輕桿連接的―→效果1:沿繩或桿方向的運(yùn)動 效果2:垂直繩或桿方向的運(yùn)動 物體的問題相互接觸的物體的問題―→效果1:垂直接觸面的運(yùn)動效果2:沿接觸面的運(yùn)動 3.常見的速度分解模型 把物體的實(shí)際速度分解為垂直于繩(桿)和平行于繩(桿)兩個(gè)分量,根據(jù)沿繩(桿)方向的分速度大小相等求解。常見的模型如圖所示。 【典例2】 如圖所示,在水平地面上做勻速直線運(yùn)動的汽車,通過定滑輪用繩子吊起一個(gè)物體,若汽車和被吊物體在同一時(shí)刻的速度分別為v1和v2,且v1=v保持不變。 (1)求兩繩夾角為θ時(shí),物體上升速度v2的大小; (2)在汽車做勻速直線運(yùn)動的過程中,物體是加速上升還是減速上升? (3)在汽車做勻速直線運(yùn)動的過程中,繩子對物體的拉力F與物體所受重力mg的大小關(guān)系如何? [思路點(diǎn)撥] 解此題要注意兩點(diǎn): (1)汽車運(yùn)動的速度v1是合速度,可沿繩和垂直于繩分解。 (2)物體的速度v2等于繩子的速度。 [解析] (1)根據(jù)實(shí)際效果可將汽車的運(yùn)動分解為沿繩方向上的運(yùn)動和垂直于繩方向上的運(yùn)動,如圖所示,則有v2=v1sin θ=v sin θ。 (2)當(dāng)汽車水平向左做勻速直線運(yùn)動時(shí),角度θ變大,由v2=v sin θ知,繩的運(yùn)動速度變大,即物體將加速上升。 (3)物體加速上升,即物體所受合外力的方向豎直向上,而物體只受重力和拉力的作用,故拉力F大于物體的重力mg,即F>mg。 [答案] (1)v sin θ (2)加速上升 (3)F>mg [跟進(jìn)訓(xùn)練] 3.如圖所示,AB桿和墻的夾角為θ時(shí),桿的A端沿墻下滑的速度大小為v1,B端沿地面的速度大小為v2,則v1、v2的關(guān)系是( ) A.v1=v2 B.v1=v2cos θ C.v1=v2tan θ D.v1=v2sin θ C [可以把A、B兩點(diǎn)的速度分解,如圖所示,由于桿不能變長或變短,沿桿方向的速度應(yīng)滿足v1x=v2x,即v1cos θ=v2sin θ,v1=v2tan θ,C正確。] 4.如圖所示,某人用繩通過定滑輪拉小船,設(shè)人勻速拉繩的速度為v0,繩某時(shí)刻與水平方向夾角為α,則小船的運(yùn)動性質(zhì)及此時(shí)刻小船水平速度vx為( ) A.小船做變速運(yùn)動,vx=v0cosα B.小船做變速運(yùn)動,vx=v0cos α C.小船做勻速直線運(yùn)動,vx=v0cosα D.小船做勻速直線運(yùn)動,vx=v0cos α A [小船的實(shí)際運(yùn)動是水平向左的運(yùn)動,它的速度vx可以產(chǎn)生兩個(gè)效果:一是使繩子OP段縮短;二是使OP段繩與豎直方向的夾角減小。所以小船的速度vx應(yīng)分解為沿OP繩指向O的分速度v0和垂直O(jiān)P的分速度v1,由運(yùn)動的分解可求得vx=v0cosα,α角逐漸變大,可得vx是逐漸變大的,所以小船做的是變速運(yùn)動,且vx=v0cosα。] 素養(yǎng)提升練(一) 小船渡河與關(guān)聯(lián)速度問題 一、選擇題 1.一小船船頭垂直河岸渡河,從出發(fā)到河中間劃行速度逐漸增大,然后劃行速度逐漸減小到達(dá)對岸。假設(shè)河水流速保持不變,則小船運(yùn)動的全過程中軌跡可能是下列圖中的( ) A B C D C [水流速保持不變,船的速度先增大,當(dāng)過河中間后開始減速運(yùn)動,根據(jù)曲線運(yùn)動的條件,運(yùn)動軌跡偏向加速度方向,故C正確,A、B、D錯(cuò)誤。] 2.(2021·遼寧卷)1935年5月,紅軍為突破“圍剿”決定強(qiáng)渡大渡河。首支共產(chǎn)黨員突擊隊(duì)冒著槍林彈雨依托僅有的一條小木船堅(jiān)決強(qiáng)突。若河面寬300 m,水流速度3 m/s,木船相對靜水速度1 m/s,則突擊隊(duì)渡河所需的最短時(shí)間為( ) A.75 s B.95 s C.100 s D.300 s D [河寬d=300 m一定,當(dāng)木船船頭垂直河岸時(shí),在河寬方向上的速度最大,渡河用時(shí)最短,即木船相對靜水的速度v=1 m/s,渡河時(shí)間最短為tmin=dv=3001 s=300 s,故選項(xiàng)D正確。] 3.(2022·上海市延安中學(xué)高一期末)某船在靜水中的劃行速度v1=4 m/s,要渡過寬為d=30 m的河,河水的流速v2=5 m/s,下列說法正確的是( ) A.該船渡河所用時(shí)間至少是6 s B.該船的最短航程為30 m C.河水的流速增大,而渡河的最短時(shí)間不變 D.該船以最短時(shí)間渡河時(shí)的位移大小為30 m C [當(dāng)船的靜水速度與河岸垂直時(shí),渡河時(shí)間最小,即為t=dv1=7.5 s,A錯(cuò)誤;根據(jù)平行四邊形定則,由于靜水速小于水流速,則合速度不可能垂直于河岸,即船不可能垂直到達(dá)對岸,那么最短航程大于30 m,B錯(cuò)誤;根據(jù)運(yùn)動的等時(shí)性原理知河水的流速不影響渡河的時(shí)間,即靜水速度與河岸垂直時(shí),當(dāng)河水的流速增大,渡河時(shí)間不變,C正確;當(dāng)靜水速度與河岸垂直時(shí),根據(jù)平行四邊形定則,合速度不可能垂直于河岸,即船不可能垂直到達(dá)對岸,那么渡河時(shí)的位移大于30 m,D錯(cuò)誤。] 4.(多選)如圖所示,小船速度大小為v1,方向與上游河岸成θ角,從A處過河,正好到達(dá)正對岸的B處。現(xiàn)水流速度變大少許,要使小船過河也正好到達(dá)正對岸的B處,下列方法中可行的有( ) A.保持v1不變,同時(shí)增大θ角 B.保持v1不變,同時(shí)減小θ角 C.保持θ角不變,增大v1大小 D.保持θ角不變,減小v1大小 BC [由題意可知,水流速度增大時(shí),保持航線不變能垂直到達(dá)對岸B處,則需滿足v1cos θ=v水,v水增大時(shí)可以保持v1不變減小θ角,也可以保持θ角不變增大v1,故B、C選項(xiàng)正確。] 5.(2022·合肥一六八中學(xué)高一期中)某人劃船橫渡一條河,河水流速處處相同且恒定,船的劃行速率恒定。已知此人過河最短時(shí)間為T1;若此人用最短的位移過河,則需時(shí)間為T2;已知船在靜水中的劃行速度大于河水流速。則船的劃行速率與水流速率之比為( ) A.T2 T2 2-T1 2 B.T2T1 C.T1 T2 2-T1 2 D.T1T2 A [設(shè)河寬為d,船在靜水中的速率為v1,河水流速為v2,最短時(shí)間過河時(shí),有T1=dv1,最小位移過河時(shí)v合=v12-v22,則T2=dv合,聯(lián)立計(jì)算得v1 v2 = T2 T2 2-T1 2,故B、C、D錯(cuò)誤,A正確。故選A。] 6.(2022·浙江寧波高一期末)如圖為某校學(xué)生跑操的示意圖,跑操隊(duì)伍寬d=3 m,某時(shí)刻隊(duì)伍整齊的排頭剛到達(dá)AB,在A點(diǎn)的體育老師此時(shí)準(zhǔn)備從隊(duì)伍前沿經(jīng)直線勻速到達(dá)BC邊處某點(diǎn),且不影響跑操隊(duì)伍,已知學(xué)生跑操的速度v=2 m/s,B、C之間的距離為L=4 m,則以下說法正確的是( ) A.體育老師的速度可能為2 m/s B.體育老師速度方向與AB平行 C.體育老師可能在0.5 s到達(dá)BC邊 D.若體育老師要跑到BC邊中點(diǎn)D處,其速度大小為3.5 m/s C [體育老師勻速運(yùn)動從A到BC邊某處,且不影響跑操隊(duì)伍,則其一方面沿著隊(duì)伍行進(jìn)方向的速度vx不能小于2 m/s,另一方面還要有一個(gè)垂直于跑操隊(duì)伍前進(jìn)方向的速度vy,其實(shí)際速度(v師=vx 2+vy 2)一定大于2 m/s,與AB有一定夾角,故A、B都錯(cuò)誤;若體育老師在0.5 s到達(dá)BC邊,則其垂直于跑操隊(duì)伍前進(jìn)方向的速度vy=dt,代入數(shù)據(jù)可得vy=6 m/s,體育老師平行于跑操隊(duì)伍運(yùn)動方向的速度vx≥2 m/s,其合速度v師≥210 m/s即可,作為體育老師,是可以實(shí)現(xiàn)的,故C正確;若體育老師要跑到BC邊中點(diǎn)D處,則運(yùn)動時(shí)間t=L2vx≤1 s,則其垂直于跑操隊(duì)伍前進(jìn)方向的速度vy=dt≥3 m/s,體育老師平行于跑操隊(duì)伍運(yùn)動方向的速度vx≥2 m/s,則合速度v師≥13 m/s,故D錯(cuò)誤。] 7.如圖所示,以速度v沿豎直桿勻速下滑的物體A用輕繩通過定滑輪拉物體B,當(dāng)繩與水平面夾角為θ時(shí),物體B的速度為( ) A.v B.vsinθ C.v cos θ D.v sin θ D [將A的速度分解為沿繩子方向和垂直于繩子方向,如圖所示,根據(jù)平行四邊形定則得,vB=v sin θ,故D正確。 ] 8.(2022·四川達(dá)州高一期末)如圖甲為發(fā)動機(jī)活塞連桿組,圖乙為連桿組的結(jié)構(gòu)簡圖,連桿組在豎直平面內(nèi),且OA正好在豎直方向上,連桿一端連接活塞A,另一端與曲柄上B點(diǎn)相連,活塞A沿OA直線往復(fù)運(yùn)動并帶動連桿使B點(diǎn)繞圓心O順時(shí)針方向做圓周運(yùn)動,某時(shí)刻OB剛好水平,∠OAB=θ,活塞A的速率為vA,曲柄上B點(diǎn)的速率為vB,則此時(shí)( ) A.vA cos θ=vB B.vB cos θ=vA C.vA=vB D.vA sin θ=vB C [由速度合成和分解圖可得v1=vB cos θ,則當(dāng)OB剛好水平,曲柄上B點(diǎn)的速率為vB剛好方向豎直,則有v1=v′1=vA cos θ=vB cos θ,可得vA=vB,故A、B、D錯(cuò)誤,C正確。故選C。] 9.如圖所示,人沿平直的河岸以速度v行走,且通過不可伸長的繩拖船,船沿繩的方向行進(jìn),此過程中繩始終與水面平行。當(dāng)繩與河岸的夾角為α?xí)r,船的速率為( ) A.v sin α B.vsinα C.v cos α D.vcosα C [將人的運(yùn)動分解為沿繩方向的分運(yùn)動(分速度為v1)和與繩垂直方向的分運(yùn)動(分速度為v2),如圖所示。船的速率等于沿繩方向的分速度v1=v cos α,選項(xiàng)C正確。 ] 10.(2022·山東師大附中期中)如圖所示,一鐵球用細(xì)線懸掛于天花板上,靜止垂在桌子的邊緣,細(xì)線穿過一光盤的中間孔,手推光盤在桌面上平移,光盤帶動細(xì)線緊貼著桌子的邊緣以水平速度v勻速運(yùn)動,當(dāng)光盤由A位置運(yùn)動到圖中的B位置時(shí),細(xì)線與豎直方向的夾角為θ,則此時(shí)鐵球( ) A.豎直方向速度大小為v cos θ B.豎直方向速度大小為v sin θ C.豎直方向速度大小為v tan θ D.相對于地面速度大小為v B [細(xì)線與光盤的交點(diǎn)參與兩個(gè)運(yùn)動,一是逆著細(xì)線的方向運(yùn)動,二是垂直細(xì)線的方向運(yùn)動,則合運(yùn)動的速度大小為v,由三角函數(shù)關(guān)系,則有v線=v sin θ,而沿細(xì)線的速度就是鐵球上升的速度大小,故B正確,A、C錯(cuò)誤;球相對于地面的速度大小為v′=v2+vsinθ2,故D錯(cuò)誤。] 11.如圖所示,有兩條位于同一豎直平面內(nèi)的水平軌道,軌道上有兩個(gè)物體A和B,它們通過一根繞過定滑輪O的不可伸長的輕繩相連接,物體A以速率vA=10 m/s勻速運(yùn)動,在繩與軌道成30°角時(shí),物體B的速度大小vB為( ) A.5 m/s B.533 m/s C.20 m/s D.2033 m/s D [物體B的運(yùn)動可分解為沿繩BO方向靠近定滑輪O使繩BO段縮短的運(yùn)動和繞定滑輪(方向與繩BO垂直)的運(yùn)動,故可把物體B的速度分解為如圖所示的兩個(gè)分速度,由圖可知vB∥=vB cos α,由于繩不可伸長,所以繩OA段伸長的速度等于繩BO段縮短的速度,所以有vB∥=vA,故vA=vB cos α,所以vB=vAcosα=2033 m/s,選項(xiàng)D正確。] 12.(多選)如圖所示,將質(zhì)量為2m的重物懸掛在輕繩的一端,輕繩的另一端系一質(zhì)量為m的小環(huán),小環(huán)套在豎直固定的光滑直桿上,光滑定滑輪與直桿的距離為d?,F(xiàn)將小環(huán)從與定滑輪等高的A處由靜止釋放,當(dāng)小環(huán)沿直桿下滑距離也為d時(shí)(圖中B處),下列說法正確的是(重力加速度為g)( ) A.小環(huán)剛釋放時(shí)輕繩中的張力一定大于2mg B.小環(huán)到達(dá)B處時(shí),重物上升的高度為(2-1)d C.小環(huán)在B處的速度與重物上升的速度大小之比等于22 D.小環(huán)在B處的速度與重物上升的速度大小之比等于2 ABD [小環(huán)釋放后,其下落速度v增大,繩與豎直桿間的夾角θ減小,而v1=v cos θ,故v1增大,由此可知小環(huán)剛釋放時(shí)重物具有向上的加速度,繩中張力一定大于2mg,A項(xiàng)正確;小環(huán)到達(dá)B處時(shí),繩與直桿間的夾角為45°,重物上升的高度h=(2-1)d,B項(xiàng)正確;如圖所示,將小環(huán)速度v進(jìn)行正交分解,v1=v cos 45°=22v,所以小環(huán)在B處的速度與重物上升的速度大小之比等于2,C項(xiàng)錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確。] 二、非選擇題 13.如圖所示,河寬d=120 m,設(shè)小船在靜水中的速度為v1,河水的流速為v2。小船從A點(diǎn)出發(fā),在渡河時(shí),船身保持平行移動。若出發(fā)時(shí)船頭指向河對岸上游的B點(diǎn),經(jīng)過10 min,小船恰好到達(dá)河正對岸的C點(diǎn);若出發(fā)時(shí)船頭指向河正對岸的C點(diǎn),經(jīng)過8 min,小船到達(dá)C點(diǎn)下游的D點(diǎn)。求: (1)小船在靜水中的速度v1的大?。?(2)河水的流速v2的大??; (3)在第二次渡河中小船被沖向下游的距離sCD。 [解析] (1)小船從A點(diǎn)出發(fā),若船頭指向河正對岸的C點(diǎn),則此時(shí)v1方向的位移為d,故有v1=dtmin=12060×8 m/s=0.25 m/s。 (2)設(shè)AB與河岸上游成α角,由題意可知,此時(shí)恰好到達(dá)河正對岸的C點(diǎn),故v1沿河岸方向的分速度大小恰好等于河水的流速v2的大小,即v2=v1cos α 此時(shí)渡河時(shí)間為t=dv1sinα 所以sin α=dv1t=0.8,故v2=v1cos α=0.15 m/s。 (3)在第二次渡河中小船被沖向下游的距離為sCD=v2tmin=72 m。 [答案] (1)0.25 m/s (2)0.15 m/s (3)72 m
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