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3.4 渡河位移

运动的合成与分解 · 高一
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 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。
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练一道
基础题
河宽 $d=400\text{m}$,水流速度 $v_1=2\text{m/s}$,船在静水中速度 $v_2=4\text{m/s}$。若船头始终垂直于河岸,求渡河位移。
变式
同上参数,若要求渡河位移最小,求最小位移及船头指向。
试试手自己判
检测题
河宽 $100\text{m}$,水流速度 $3\text{m/s}$,船在静水中速度 $4\text{m/s}$。若船头指向与上游河岸成 $37^\circ$ 角($\sin37^\circ=0.6, \cos37^\circ=0.8$),求渡河位移。
看答案和判分标准
答案:1. 垂直分速度 $v_y = v_2 \sin37^\circ = 4 \times 0.6 = 2.4\text{m/s}$。 2. 水平分速度 $v_x = v_1 - v_2 \cos37^\circ = 3 - 4 \times 0.8 = 3 - 3.2 = -0.2\text{m/s}$(负号表示向上游偏)。 3. 渡河时间 $t = \frac{d}{v_y} = \frac{100}{2.4} = \frac{125}{3}\text{s}$。 4. 水平位移 $x = v_x t = -0.2 \times \frac{125}{3} = -\frac{25}{3}\text{m}$。 5. 合位移 $s = \sqrt{d^2 + x^2} = \sqrt{100^2 + (-\frac{25}{3})^2} = \sqrt{10000 + \frac{625}{9}} = \sqrt{\frac{90625}{9}} = \frac{302.5}{3} \approx 100.83\text{m}$。
判对标准:
- 正确分解速度($v_y$ 和 $v_x$ 计算正确)得 4 分。
- 正确计算时间 $t$ 得 2 分。
- 正确计算水平位移 $x$ 并代入位移公式得 3 分。
- 最终结果数值正确(允许误差 $\pm 0.1\text{m}$)得 1 分。
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