定义 物体在垂直河岸方向的分位移与沿水流方向的分位移的矢量合成,即起点到终点的直线距离。
从哪来 基于前置知识点 3.1 内容 中关于运动的合成与分解原理,将实际运动分解为垂直河岸和沿水流两个独立方向的分运动。
为什么 渡河位移由两个独立的分运动共同决定:垂直河岸的分位移取决于船速在垂直方向的分量及渡河时间;沿水流的分位移取决于水流速度及渡河时间。由于这两个分运动同时发生且互不干扰,实际轨迹是两者的矢量叠加,因此合位移必然大于或等于河宽(除非水流速度为零)。
讲法
适合:空间想象力强、偏好几何直观的学生
采用“矢量三角形法”。画出速度矢量三角形,明确 $v_{船}$、$v_{水}$ 和 $v_{合}$ 的关系。强调位移矢量与速度矢量平行(因为时间相同),通过几何作图直接看出合位移方向。重点讲解当 $v_{船} > v_{水}$ 时,合速度可以垂直河岸,此时最小位移即为河宽;当 $v_{船} < v_{水}$ 时,合速度无法垂直河岸,最小位移对应合速度方向与河岸夹角最大时的状态。
讲法
适合:逻辑严密、偏好代数推导的学生
采用“解析法”。建立坐标系,设河宽为 $d$,水流速度为 $v_1$,船速为 $v_2$,船头指向与上游河岸夹角为 $\theta$。
垂直方向:$d = v_2 \sin\theta \cdot t$
水平方向:$x = v_1 t = v_1 \frac{d}{v_2 \sin\theta}$
合位移:$s = \sqrt{d^2 + x^2} = d \sqrt{1 + (\frac{v_1}{v_2 \sin\theta})^2}$
通过求 $s$ 的最小值,引导学生分析 $\sin\theta$ 的取值范围对位移的影响,从而得出最小位移的结论。
讲法
适合:抽象思维较弱、需要具象类比的学生
采用“生活类比法”。想象你在自动人行道上走路。
1. 如果人行道不动(无水),你垂直走,位移最短(等于通道宽)。
2. 如果人行道向前跑(有水),你垂直走,会被带到前方,位移变长。
3. 如果你想让总位移最短(比如想尽快到达正对面),你需要斜着走(抵消水流)。
4. 关键问题:如果你走得比人行道慢($v_{船} < v_{水}$),无论怎么斜着走,都无法完全抵消向前的漂移,此时“最短位移”不是正对面,而是尽可能靠近正对面的某个点。