第一章 学案2步步高高中物理必修二

学案2　运动的合成与分解

[目标定位] 1.知道什么是运动的合成与分解，理解合运动与分运动等有关物理量之间的关系.2.会确定互成角度的两分运动的合运动的运动性质.3.会分析小船渡河问题.

一、位移和速度的合成与分解

[问题设计]

1.如图1所示，小明由码头A出发，准备送一批货物到河对岸的码头B.他驾船时始终保持船头指向与河岸垂直，但小明没有到达正对岸的码头B，而是到达下游的C处，此过程中小船参与了几个运动？

图1

答案　小船参与了两个运动，即船垂直河岸的运动和船随水向下的漂流运动.

2.小船的实际位移、垂直河岸的位移、随水向下漂流的位移有什么关系？

答案　如图所示，实际位移(合位移)和两分位移符合平行四边形定则.

[要点提炼]

1.合运动和分运动

(1)合运动和分运动：一个物体同时参与两种运动时，这两种运动叫做分运动，而物体的实际运动叫做合运动.

(2)合运动与分运动的关系

①等时性：合运动与分运动经历的时间相等，即同时开始，同时进行，同时停止.

②独立性：一个物体同时参与了几个分运动，各分运动独立进行、互不影响，因此在研究某个分运动时，就可以不考虑其他分运动，就像其他分运动不存在一样.

③等效性：各分运动的相应参量叠加起来与合运动的参量相同.

2.运动的合成与分解

(1)已知分运动求合运动叫运动的合成；已知合运动求分运动叫运动的分解.

(2)运动的合成和分解指的是位移、速度、加速度的合成和分解.位移、速度、加速度合成和分解时都遵循平行四边形定则.

3.合运动性质的判断

分析两个直线分运动的合运动的性质时，应先根据平行四边形定则，求出合运动的合初速度v0和合加速度a，然后进行判断.

(1)判断是否做匀变速运动

①若a＝0时，物体沿合初速度v0的方向做匀速直线运动.

②若a≠0且a恒定时，做匀变速运动.

③若a≠0且a变化时，做非匀变速运动.

(2)判断轨迹的曲直

①若a与初速度共线，则做直线运动.

②若a与初速度不共线，则做曲线运动.

二、小船渡河问题

1.最短时间问题：可根据运动等时性原理由船对静水的分运动时间来求解，由于河宽一定，当船对静水速度v1垂直河岸时，如图2所示，垂直河岸方向的分速度最大，所以必有tmin＝.

图2

2.最短位移问题：一般考察水流速度v2小于船对静水速度v1的情况较多，此种情况船的最短航程就等于河宽d，此时船头指向应与上游河岸成θ角，如图3所示，且cos θ＝；若v2＞v1，则最短航程s＝d，此时船头指向应与上游河岸成θ′角，且cos θ′＝.

图3

三、关联速度的分解

绳、杆等连接的两个物体在运动过程中，其速度通常是不一样的，但两者的速度是有联系的(一般两个物体沿绳或杆方向的速度大小相等)，我们称之为“关联”速度.解决此类问题的一般步骤如下：

第一步：先确定合运动，物体的实际运动就是合运动.

第二步：确定合运动的两个实际作用效果，一是沿牵引方向的平动效果，改变速度的大小；二是沿垂直于牵引方向的转动效果，改变速度的方向.

第三步：按平行四边形定则进行分解，作好运动矢量图.

第四步：根据沿绳或杆牵引方向的速度相等列方程.

例如，小车通过跨过滑轮的绳牵引小船B，某一时刻绳与水平方向的夹角为θ，如图4所示.

图4

小船速度vB有两个效果(两个分运动)：一是沿绳方向的平动，二是垂直绳方向的转动.将vB沿着这两个方向分解，其中v1＝vBcos θ＝vA，v2＝vBsin θ.

一、运动的合成与分解

例1　某直升机空投物资时，可以停留在空中不动，设投出的物资离开飞机后由于降落伞的作用在空中能匀速下落，无风时落地速度为5 m/s.若飞机停留在离地面100 m高处空投物资，由于风的作用，使降落伞和物资以1 m/s的速度匀速水平向北运动，求：

(1)物资在空中运动的时间；

(2)物资落地时速度的大小；

(3)物资在下落过程中水平方向移动的距离.

解析　如图所示，物资的实际运动可以看做是竖直方向的匀速直线运动和水平方向的匀速直线运动两个分运动的合运动.

(1)分运动与合运动具有等时性，故物资实际运动的时间与竖直方向分运动的时间相等.

所以t＝＝s＝20 s

(2)物资落地时vy＝5 m/s，vx＝1 m/s，

由平行四边形定则得

v＝＝m/s＝m/s

(3)物资在下落过程中水平方向移动的距离为：

x＝vxt＝1×20 m＝20 m.

答案　(1)20 s　(2) m/s　(3)20 m

二、小船渡河问题

例2　已知某船在静水中的速率为v1＝4 m/s，现让船渡过某条河，假设这条河的两岸是理想的平行线，河宽为d＝100 m，河水的流动速度为v2＝3 m/s，方向与河岸平行.试分析：

(1)欲使船以最短时间渡过河去，船的航向怎样？最短时间是多少？到达对岸的位置怎样？船发生的位移是多大？

(2)欲使船渡河过程中的航行距离最短，船的航向又应怎样？渡河所用时间是多少？

解析　(1)根据运动的独立性和等时性，当船在垂直河岸方向上的分速度v⊥最大时，渡河所用时间最短.设船头指向上游且与上游河岸夹角为α，其合速度v与分运动速度v1、v2的矢量关系如甲图所示.河水流速v2平行于河岸，不影响渡河快慢，船在垂直河岸方向上的分速度v⊥＝v1sin α，则船渡河所用时间为t＝.

显然，当sin α＝1即α＝90°时，v⊥最大，t最小，此时船身垂直于河岸，船头始终垂直指向对岸，但船实际的航向斜向下游，如图乙所示.

渡河的最短时间tmin＝＝s＝25 s

船的位移为l＝tmin＝×25 m＝125 m

船渡过河时到达正对岸的下游A处，其离正对岸的距离为x＝v2tmin＝3×25 m＝75 m.

(2)由于v1＞v2，故船的合速度与河岸垂直时，船的航行距离最短.设此时船速v1的方向(船头的指向)斜向上游，且与河岸成θ角，如图丙所示，则cos θ＝＝.

船的实际速度为

v合＝＝m/s＝m/s

故渡河时间：t′＝＝s＝s.

答案　见解析

三、关联速度的分解问题

例3　如图5所示，做匀速直线运动的汽车A通过一根绕过定滑轮的长绳吊起一重物B，设重物和汽车的速度的大小分别为vB、vA，则(　　)

图5

A.vA＝vB

B.vA＜vB

C.vA＞vB

D.重物B的速度逐渐增大

解析　如图所示，汽车的实际运动是水平向左的直线运动，它的速度vA可以产生两个运动效果：一是使绳子伸长；二是使绳子与竖直方向的夹角增大，所以车的速度vA应有沿绳方向的分速度v0和垂直绳的分速度v1，由运动的分解可得v0＝vAcos α；又由于vB＝v0，所以vA＞vB，故C正确.因为随着汽车向左行驶，α角逐渐减小，所以vB逐渐增大，故D正确.

答案　CD

1.(合运动与分运动的关系)对于两个分运动的合运动，下列说法正确的是(　　)

A.合运动的速度大小等于两个分运动的速度大小之和

B.合运动的速度一定大于某一个分运动的速度

C.合运动的方向就是物体实际运动的方向

D.由两个分速度的大小就可以确定合速度的大小

答案　C

解析　根据平行四边形定则，邻边表示两个分运动的速度，合运动的速度的大小和方向可由对角线表示，由几何关系知，两邻边和对角线的长短关系因两邻边的夹角不同而不同，当两邻边长短不变，而夹角改变时，对角线的长短也将发生改变，即合速度也将变化，故A、B、D错，C正确.

2.(合运动性质的判断)

如图6所示，一玻璃筒中注满清水，水中放一软木做成的木塞R(木塞的直径略小于玻璃管的直径，轻重大小适宜，使它在水中能匀速上浮).将玻璃管的开口端用胶塞塞紧(图甲).现将玻璃管倒置(图乙)，在木塞匀速上升的同时，让玻璃管水平向右由静止做匀加速直线运动.观察木塞的运动，将会看到它斜向右上方运动，经过一段时间，玻璃管移到图丙中虚线所示位置，木塞恰好运动到玻璃管的顶端，则能正确反映木塞运动轨迹的是(　　)

图6

答案　C

解析　木塞参加了两个分运动，竖直方向在管中以v1匀速上浮，水平方向水平向右匀加速直线移动，速度v2不断变大，将v1与v2合成，如图所示，由于曲线运动的速度沿着曲线上该点的切线方向，又由于v1不变，v2不断变大，故θ不断变小，即切线方向与水平方向的夹角不断变小，故A、B、D均错误，C正确.

3. (关联速度的分解)如图7所示，中间有孔的物体A套在光滑的竖直杆上，通过滑轮用不可伸长的轻绳将物体拉着匀速向上运动.则关于拉力F及拉力作用点的移动速度v的说法正确的是(　　)

图7

A.F不变、v不变

B.F增大、v不变

C.F增大、v增大

D.F增大、v减小

答案　D

解析　设绳子与竖直方向上的夹角为θ，因为物体A做匀速直线运动，在竖直方向上合力为零，有：Fcos θ＝mg，因为θ增大，则F增大.物体A沿绳子方向上的分速度v＝v物cos θ，因为θ增大，则v减小.D正确.

4.(小船渡河问题)小船在200 m宽的河中横渡，水流速度是2 m/s，小船在静水中的航速是4 m/s.求：

(1)要使小船渡河耗时最少，应如何航行？最短时间为多少？

(2)要使小船航程最短，应如何航行？最短航程为多少？

答案　见解析

解析　(1)如图甲所示，船头始终正对河岸航行时耗时最少，即最短时间tmin＝＝s＝50 s.

(2)如图乙所示，航程最短为河宽d，即应使v合的方向垂直于河岸，故船头应偏向上游，与河岸成α角，有

cos α＝＝＝，解得α＝60°.

题组一　合运动与分运动的关系、合运动性质的判断

1.关于合运动、分运动的说法，正确的是(　　)

A.合运动的位移为分运动位移的矢量和

B.合运动的位移一定比其中的一个分位移大

C.合运动的速度一定比其中的一个分速度大

D.合运动的时间一定比分运动的时间长

答案　A

解析　位移是矢量，其运算遵循平行四边形定则，A正确；合运动的位移可大于分位移，也可小于分位移，还可等于分位移，B错误，同理可知C错误；合运动和分运动具有等时性，D错误.

2.关于运动的合成，下列说法中正确的是(　　)

A.两个互成角度的直线运动的合运动，一定是直线运动

B.两个互成角度的直线运动的合运动，可能是曲线运动

C.两个互成角度的匀速直线运动的合运动，一定是匀速直线运动

D.两个互成角度的匀加速直线运动的合运动，一定是匀加速直线运动

答案　BC

解析　两个匀速直线运动的合成，就是其速度的合成，其合速度是确定的，等于两个分速度的矢量和，加速度为零，即合力为零，故合运动一定是匀速直线运动，C对；两个分运动的合加速度方向与合初速度的方向不一定在同一直线上，既有可能做曲线运动，也有可能做直线运动，不是“一定”，而是“可能”，故A、D错，B对.

3.塔式起重机模型如图1所示，小车P沿吊臂向末端M水平匀速运动，同时将物体Q从地面竖直向上匀加速吊起，下列选项中能大致反映Q运动轨迹的是(　　)

图1

答案　B

解析　物体Q参与两个分运动，水平方向向右做匀速直线运动，竖直方向向上做匀加速直线运动；水平分运动无加速度，竖直分运动加速度向上，故物体合运动的加速度向上，故轨迹向上弯曲，故B正确，A、C、D错误.

4.如图2甲所示的直角三角板紧贴在固定的刻度尺上方，现假使三角板沿刻度尺水平向右匀速运动的同时，一支铅笔从三角板直角边的最下端，由静止开始沿此边向上做匀加速直线运动，下列关于铅笔尖的运动及其留下的痕迹的判断中，正确的有(　　)

图2

A.笔尖留下的痕迹可以是一条如图乙所示的抛物线

B.笔尖留下的痕迹可以是一条倾斜的直线

C.在运动过程中，笔尖运动的速度方向始终保持不变

D.在运动过程中，笔尖运动的加速度方向始终保持不变

答案　D

解析　由题可知，铅笔尖既随三角板向右做匀速运动，又沿三角板直角边向上做匀加速运动，其运动轨迹是开口向上的抛物线，故A、B错误.在运动过程中，笔尖运动的速度方向是轨迹的切线方向，速度方向时刻在变化，故C错误.笔尖水平方向的加速度为零，竖直方向加速度的方向向上，则根据运动的合成规律可知，笔尖运动的加速度方向始终竖直向上，保持不变，故D正确.

5.一物体在光滑的水平桌面上运动，在相互垂直的x方向和y方向上的分运动速度随时间变化的规律如图3所示.关于物体的运动，下列说法正确的是(　　)

图3

A.物体做曲线运动

B.物体做直线运动

C.物体运动的初速度大小为50 m/s

D.物体运动的初速度大小为10 m/s

答案　AC

解析　由v－t图像可以看出，物体在x方向上做匀速直线运动，在y方向上做匀变速直线运动，故物体做曲线运动，选项A正确，B错误；物体的初速度大小为v0＝m/s＝50 m/s，选项C正确，D错误.

题组二　关联速度的分解问题

6.如图4所示，在不计滑轮摩擦和绳子质量的条件下，当小车以速度v匀速向右运动到如图3所示位置时，物体P的速度为(　　)

图4

A.v B.vcos θ

C. D.vcos2 θ

答案　B

解析　如图所示，绳子与水平方向的夹角为θ，将小车的速度沿绳子方向和垂直于绳子方向分解，沿绳子方向的速度等于P的速度，根据平行四边形定则得，vP＝vcos θ.故B正确，A、C、D错误.

7.如图5所示，某人用绳通过定滑轮拉小船，设人匀速拉绳的速度为v0，小船水平向左运动，绳某时刻与水平方向夹角为α，则小船的运动性质及此时刻小船的速度vx为(　　)

图5

A.小船做变加速运动，vx＝

B.小船做变加速运动，vx＝v0cos α

C.小船做匀速直线运动，vx＝

D.小船做匀速直线运动，vx＝v0cos α

答案　A

解析　如图所示，小船的实际运动是水平向左的运动，它的速度vx可以产生两个效果：一是使绳子OP段缩短；二是使OP段绳与竖直方向的夹角减小.所以小船的速度vx应有沿OP绳指向O的分速度v0和垂直OP的分速度v1，由运动的分解可求得vx＝，α角逐渐变大，可得vx是逐渐变大的，所以小船做的是变加速运动.

8.如图6所示，物体A、B经无摩擦的定滑轮用细线连在一起，A物体受水平向右的力F的作用，此时B匀速下降，A水平向左运动，可知(　　)

图6

A.物体A做匀速运动

B.物体A做加速运动

C.物体A所受摩擦力逐渐增大

D.物体A所受摩擦力逐渐减小

答案　BD

解析　设细线与水平方向的夹角为α，把A向左的速度v沿细线方向和垂直于细线方向分解，沿细线方向的分速度为vx＝vcos α，B匀速下降，vx不变，而α角增大，cos α减小，则v增大，所以A做加速运动，选项A错误，B正确；由于A对地面的压力逐渐减小，所以物体A所受摩擦力逐渐减小，选项C错误，D正确.

题组三　小船渡河问题

9.小船在静水中速度为4 m/s，它在宽为200 m，流速为3 m/s的河中渡河，船头始终垂直河岸，如图7所示.则渡河需要的时间为(　　)

图7

A.40 s B.50 s

C.66.7 s D.90 s

答案　B

解析　船头始终垂直河岸，渡河时间t＝＝s＝50 s，故选项B正确.

10.小船以一定的速率垂直河岸向对岸划去，当水流匀速时，它渡河的时间、发生的位移与水速的关系是(　　)

A.水速小时，位移小，时间也小

B.水速大时，位移大，时间也大

C.水速大时，位移大，但时间不变

D.位移、时间大小与水速大小无关

答案　C

解析　小船渡河时参与了顺水漂流和垂直河岸横渡两个分运动，由运动的独立性和等时性知，小船的渡河时间决定于垂直河岸的分运动，等于河的宽度与垂直河岸的分速度之比，由于船“以一定速率垂直河岸向对岸划去”，故渡河时间一定.水速大，水流方向的分位移就大，合位移也就大，反之则合位移小.

11.下列四个选项图中实线为河岸，河水的流速v方向如图中箭头所示，虚线为小船从河岸M驶向对岸N的实际航线，已知船在静水中速度小于水速，且船头方向为船对水的速度方向.则其中可能正确的是(　　)

答案　C

解析　因为船在静水中的速度小于水流速，根据平行四边形定则知，合速度的方向不可能垂直河岸，也不可能偏向上游，故A、B错误.船在静水中的速度垂直于河岸，合速度的方向偏向下游，故C正确.船头的指向为船在静水中的速度方向，其方向不可能与合速度的方向一致，故D错误.

12.一只小船在静水中的速度为5 m/s，它要渡过一条宽为50 m的河，河水流速为4 m/s，则(　　)

A.这只船过河位移不可能为50 m

B.这只船过河时间不可能为10 s

C.若河水流速改变，船过河的最短时间一定不变

D.若河水流速改变，船过河的最短位移一定不变

答案　C

题组四　综合应用

13.质量m＝2 kg的物体在光滑水平面上运动，其分速度vx和vy随时间变化的图线如图8(a)、(b)所示，求：

图8

(1)物体所受的合力；

(2)物体的初速度；

(3)t＝8 s时物体的速度；

(4)t＝4 s内物体的位移.

答案　(1)1 N，沿y轴正方向

(2)3 m/s，沿x轴正方向

(3)5 m/s，与x轴正方向的夹角为53°

(4)12.6 m，与x轴正方向的夹角的正切值为

解析　(1)物体在x方向：ax＝0；y方向：ay＝＝0.5 m/s2.根据牛顿第二定律：F合＝may＝1 N，方向沿y轴正方向.

(2)由题图可知vx0＝3 m/s，vy0＝0，则物体的初速度为v0＝3 m/s，方向沿x轴正方向.

(3)由题图知，t＝8 s时，vx＝3 m/s，vy＝4 m/s，物体的合速度为v＝＝5 m/s，设速度方向与x轴正方向的夹角为θ，则tan θ＝，θ＝53°，即速度方向与x轴正方向的夹角为53°.

(4)t＝4 s内，x＝vxt＝12 m，y＝ayt2＝4 m.

物体的位移l＝≈12.6 m

设位移方向与x轴正方向的夹角为α，则

tan α＝＝

即与x轴正方向的夹角的正切值为.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/0a9a204eb42acfc789eb172ded630b1c59ee9bfd.html