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3.1 追及相遇条件

直线运动规律与实验数据处理 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 两物体在同一直线上运动,当它们位置坐标相同时,即发生相遇或追及的临界条件。

从哪来 本知识点建立在 4.3 模型识别清单 之上,需先识别出“同向追及”或“相向相遇”的运动模型,才能应用该条件。

为什么 追及与相遇的本质是空间位置的重合。在时间 $t$ 内,若两物体位移满足 $x_1 = x_2$(同向)或 $x_1 + x_2 = L_0$(相向,$L_0$为初始间距),则二者坐标相同。物理上,这对应着相对位移等于初始间距,是运动学方程联立的几何意义。

图像法(v-t图)** **适合:空间想象力强、擅长数形结合的学生** 画出两物体的 $v-t$ 图像。相遇条件转化为:两图线与时间轴围成的面积之差(或和)等于初始间距。 * **同向追及
速度大者的面积 - 速度小者的面积 = 初始距离。 * 相向相遇:两面积之和 = 初始距离。 * 核心优势:能直观看出“速度相等”时刻往往是距离最近/最远的临界点,避免盲目列方程。
相对运动法** **适合:逻辑抽象能力强、喜欢简化问题的学生** 选取其中一个物体为参考系,将另一个物体的运动转化为“相对运动”。 * 若选静止物体为参考系,追及问题转化为“以相对速度 $v_{rel}$ 缩短初始距离 $L_0$ 的过程”。 * 条件简化为:$t = L_0 / v_{rel}$ (匀速情况)或 $\int v_{rel} dt = L_0$ (变速情况)。 * **核心优势
将两个物体的复杂运动简化为一个物体的运动,降低方程复杂度。
临界条件分析法(速度相等)** **适合:基础扎实、擅长分类讨论的学生** 重点分析“速度相等”这一临界状态。 * **追不上
若速度相等时,位移差 < 初始间距,则永远追不上。 * 恰好追上:若速度相等时,位移差 = 初始间距,则恰好追上(此时距离最近)。 * 追上后反超:若速度相等时,位移差 > 初始间距,则之前已追上并反超。 * 核心优势:用于判断“能否追上”及“最小距离”问题,是解题的突破口。
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练一道
基础题
A、B两车在同一直线上同向行驶,A车在后,速度 $v_A = 10\,\text{m/s}$,B车在前,速度 $v_B = 5\,\text{m/s}$。初始间距 $L_0 = 20\,\text{m}$。求A车追上B车所需时间。
变式
A车以 $v_0 = 20\,\text{m/s}$ 匀速行驶,B车在A车前方 $L_0 = 50\,\text{m}$ 处由静止开始以 $a = 2\,\text{m/s}^2$ 加速。问B车能否追上A车?若能,求追上时间;若不能,求两车最小间距。
试试手自己判
检测题
甲、乙两车在同一直线上同向行驶,甲车在后,速度 $v_甲 = 15\,\text{m/s}$,乙车在前,速度 $v_乙 = 5\,\text{m/s}$。初始间距 $L_0 = 30\,\text{m}$。若乙车突然以 $a = 2\,\text{m/s}^2$ 的加速度刹车,问甲车能否追上乙车?若能,求追上时间;若不能,求最小间距。
看答案和判分标准
答案:1. 判断: 乙车刹车至停止所需时间 $t_{stop} = v_乙 / a = 5 / 2 = 2.5\,\text{s}$。 乙车停止时位移 $x_乙 = v_乙^2 / (2a) = 25 / 4 = 6.25\,\text{m}$。 此时甲车位移 $x_甲 = v_甲 t_{stop} = 15 \times 2.5 = 37.5\,\text{m}$。 位移差 $\Delta x = x_甲 - x_乙 = 37.5 - 6.25 = 31.25\,\text{m}$。 因为 $\Delta x (31.25\,\text{m}) > L_0 (30\,\text{m})$,说明在乙车停止前,甲车已经追上。 结论:能追上。 2. 求时间: 设追上时间为 $t$($t < 2.5\,\text{s}$)。 $x_甲 - x_乙 = L_0$ $15t - (5t - \frac{1}{2} \times 2 \times t^2) = 30$ $15t - 5t + t^2 = 30$ $t^2 + 10t - 30 = 0$ $t = \frac{-10 \pm \sqrt{100 + 120}}{2} = -5 \pm \sqrt{55}$。 取正值 $t = \sqrt{55} - 5 \approx 2.42\,\text{s}$。 因为 $2.42\,\text{s} < 2.5\,\text{s}$,符合乙车仍在运动的条件。 答: 能追上,追上时间为 $\sqrt{55} - 5$ 秒。
判对标准:
1. 正确判断出“能追上”(1分)。
2. 正确列出位移关系方程 $x_甲 - x_乙 = L_0$(1分)。
3. 正确解出时间 $t = \sqrt{55} - 5$ 秒(1分)。
4. 验证了 $t < t_{stop}$(1分)。
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