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3.2 典型追及模型

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 两物体从不同位置或不同时刻出发,后发者速度较大,最终追上先发者的运动模型。

从哪来 本知识点建立在 4.3 模型识别清单 之上,通过识别“同向、初位置不同、速度大小不同”的特征锁定模型;同时利用 6.2 图像法 中的 $v-t$ 图像面积代表位移这一核心性质,将复杂的追及过程转化为几何面积比较问题。

为什么 追及问题的本质是位移的代数和关系。 设后车初位置为 $x_1$,前车初位置为 $x_2$($x_2 > x_1$),经过时间 $t$ 后,若后车追上或恰好不追上,必须满足: $$x_{后}(t) = x_{前}(t) + \Delta x_0$$ 其中 $\Delta x_0$ 为初始间距。 之所以要强调“典型模型”,是因为在 $v-t$ 图像中,速度相等时刻往往是位移差值达到极值(最大或最小)的时刻。 * 若 $v_{后} < v_{前}$ 时已追上,则直接相遇; * 若 $v_{后} = v_{前}$ 时未追上,则永远追不上(对于匀减速追匀加速或匀速情况); * 若 $v_{后} = v_{前}$ 时恰好追上,则是“恰好追上”的临界条件。 理解这一点,就能明白为什么解题核心在于比较“速度相等时刻”的位移差与初始间距的关系。

【代数法:方程思维】** **适合学生类型
逻辑严密、擅长解方程、对图像不敏感的学生。 讲解步骤: 1. 统一参考系:规定正方向,写出两物体的位移公式 $x_1 = v_1 t + \frac{1}{2}a_1 t^2$ 和 $x_2 = v_2 t + \frac{1}{2}a_2 t^2$。 2. 建立等式:根据追及条件 $x_1 = x_2 + \Delta x_0$,代入公式得到关于时间 $t$ 的一元二次方程。 3. 判别式分析: * $\Delta > 0$:有两个解,说明追上两次(或一次追上后反超,视具体运动状态而定)。 * $\Delta = 0$:有一个解,说明恰好追上(临界状态)。 * $\Delta < 0$:无解,说明永远追不上。 4. 物理意义检验:检查求出的 $t$ 是否大于0,且在该时刻前车是否已经停止(若前车做匀减速运动)。
【图像法:几何直观】** **适合学生类型
空间想象力强、喜欢直观理解、容易在复杂计算中出错的学生。 讲解步骤: 1. 画图:在 $v-t$ 坐标系中,画出两物体的速度-时间图线。 2. 找关键点:标出两图线的交点(速度相等时刻 $t_0$)。 3. 看面积: * 后车图线与时间轴围成的面积 $S_{后}$ 代表后车位移。 * 前车图线与时间轴围成的面积 $S_{前}$ 代表前车位移。 4. 比差距: * 计算 $t_0$ 时刻的面积差 $\Delta S = S_{后} - S_{前}$。 * 若 $\Delta S > \Delta x_0$(初始间距),说明在速度相等前已经追上。 * 若 $\Delta S = \Delta x_0$,说明在速度相等时恰好追上。 * 若 $\Delta S < \Delta x_0$,说明速度相等时还没追上,之后后车速度虽大但差距无法弥补(针对特定模型)或需继续分析。 5. 结论:通过几何面积的直观对比,快速判断追及情况和临界条件。
【相对运动法:简化思维】** **适合学生类型
思维敏捷、喜欢寻找捷径、基础扎实的高分学生。 讲解步骤: 1. 转换视角:以前车为参考系,将问题转化为“后车相对于前车”的运动问题。 2. 相对初速度:$v_{rel0} = v_{后0} - v_{前0}$。 3. 相对加速度:$a_{rel} = a_{后} - a_{前}$。 4. 相对位移:追及条件变为相对位移 $x_{rel} = \Delta x_0$。 5. 简化方程: * 若两车均做匀变速运动,相对运动也是匀变速运动。 * 公式简化为:$\Delta x_0 = v_{rel0} t + \frac{1}{2} a_{rel} t^2$。 6. 优势:将两个物体的复杂运动简化为一个物体的运动,方程阶数降低,计算量减半,尤其适合处理“刹车问题”或“多过程追及”。
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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车在前,B车在后,初始间距 $\Delta x_0 = 20\text{m}$。A车以 $v_A = 10\text{m/s}$ 匀速行驶,B车以 $v_B = 20\text{m/s}$ 匀速行驶。求B车追上A车所需的时间。
变式
A、B两车在同一直线上同向行驶,A车在前,B车在后,初始间距 $\Delta x_0 = 30\text{m}$。A车以 $v_A = 10\text{m/s}$ 匀速行驶,B车以 $v_B = 20\text{m/s}$ 开始做匀减速运动,加速度大小 $a = 2\text{m/s}^2$。问B车能否追上A车?若能,求追上时间;若不能,求两车最近距离。
试试手自己判
检测题
甲、乙两车在同一直线上同向行驶,甲车在前,乙车在后,初始间距 $d = 10\text{m}$。甲车以 $v_甲 = 5\text{m/s}$ 匀速行驶,乙车以 $v_乙 = 15\text{m/s}$ 开始做匀减速运动,加速度大小 $a = 2\text{m/s}^2$。 (1) 乙车能否追上甲车? (2) 若能,求追上时乙车的速度;若不能,求两车最近距离。
看答案和判分标准
答案:(1) 能追上。 (2) 追上时乙车速度为 $10\text{m/s}$。
判对标准:
1. 临界判断正确:学生需先计算速度相等时刻 $t_0 = (15-5)/2 = 5\text{s}$。
2. 位移比较正确:
* $t_0$ 时甲位移 $x_甲 = 5 \times 5 = 25\text{m}$。
* $t_0$ 时乙位移 $x_乙 = 15 \times 5 - 0.5 \times 2 \times 25 = 75 - 25 = 50\text{m}$。
* 位移差 $\Delta x = 50 - 25 = 25\text{m}$。
* 因为 $25\text{m} > 10\text{m}$(初始间距),所以能追上。
3. 求解正确:
* 列方程:$15t - t^2 = 5t + 10$
* $t^2 - 10t + 10 = 0$
* $t = \frac{10 \pm \sqrt{100-40}}{2} = 5 \pm \sqrt{15}$
* 取较小根(第一次追上):$t_1 = 5 - \sqrt{15} \approx 1.13\text{s}$。
* 此时乙车速度 $v = 15 - 2(5-\sqrt{15}) = 5 + 2\sqrt{15} \approx 12.7\text{m/s}$。
* *注:若学生用相对运动法:$10 = (15-5)t - \frac{1}{2}(2-0)t^2 \Rightarrow 10 = 10t - t^2 \Rightarrow t^2 - 10t + 10 = 0$,结果一致。*
* 关键得分点:必须判断出“能追上”,并给出合理的物理过程分析(如位移差大于初始间距)。若只算出最近距离为负值(即已追上)也算对,但需说明理由。
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