物理第五章 抛体运动2 运动的合成与分解教学设计

这是一份物理第五章 抛体运动2 运动的合成与分解教学设计，共17页。
1．知道什么是合运动和分运动。
2．理解分运动的独立性，掌握运动合成与分解的方法。
3．能用平行四边形定则分析运动的合成与分解。
1.一个平面运动的实例
在蜡块匀速上升的同时，将玻璃管紧贴着黑板沿水平方向向右匀速移动。
(1)建立坐标系：以蜡块开始匀速运动的位置为原点O，以水平向右的方向和竖直向上的方向分别为x轴和y轴的方向，建立eq \(□,\s\up4(01))平面直角坐标系。
(2)蜡块运动的轨迹：若以vx表示玻璃管向右匀速移动的速度，以vy表示蜡块沿玻璃管匀速上升的速度，则有x＝eq \(□,\s\up4(02))vxt，y＝eq \(□,\s\up4(03))vyt。消去t，得到y＝eq \(□,\s\up4(04))eq \f(vy,vx)x，可知蜡块的运动轨迹是eq \(□,\s\up4(05))直线。
(3)蜡块运动的速度：v＝eq \(□,\s\up4(06)) eq \r(v\\al(2,x)＋v\\al(2,y))，方向满足tanθ＝eq \(□,\s\up4(07))eq \f(vy,vx)。
2．运动的合成与分解
(1)合运动与分运动：如果一个物体同时参与eq \(□,\s\up4(08))几个运动，那么物体实际发生的运动就叫作那几个运动的eq \(□,\s\up4(09))合运动。那几个运动就叫作这个实际运动的eq \(□,\s\up4(10))分运动。
(2)运动的合成：由分运动求eq \(□,\s\up4(11))合运动的过程。
(3)运动的分解：由合运动求eq \(□,\s\up4(12))分运动的过程。
(4)运动的合成与分解实质是对物体的eq \(□,\s\up4(13))速度、加速度、位移等物理量进行合成与分解。
(5)运动的合成与分解遵从eq \(□,\s\up4(14))矢量运算法则。
判一判
(1)合速度就是两个分速度的代数和。( )
(2)合速度不一定大于任一分速度。( )
(3)合位移一定大于任意一个分位移。( )
(4)运动的合成就是把两个分运动加起来。( )
(5)运动的分解就是把一个运动分成两个完全相同的运动。( )
(6)运动的合成与分解遵循平行四边形定则。( )
提示：(1)× 合速度是各分速度的矢量和，而不是代数和。
(2)√
(3)× 根据矢量三角形可知，合位移不一定大于任一分位移。
(4)× 运动的合成遵从平行四边形定则，而不是简单相加。
(5)× (6)√
课堂任务 运动的合成与分解
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：如果玻璃管沿水平方向匀速运动，蜡块实际的运动会怎么样？
提示：蜡块参与了两个运动，就是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀速直线运动。蜡块实际上做匀速直线运动，如图乙中斜线。
活动2：如果玻璃管沿水平方向做加速运动，蜡块的运动又会怎么样？
提示：玻璃管沿水平方向做加速运动，蜡块也被迫在水平方向做加速运动，这样，蜡块运动到玻璃管顶部的过程不再是条直线而是曲线。
活动3：怎么求蜡块经过一段时间后的位移和速度？
提示：可以建立平面直角坐标系，分别求蜡块经过一段时间后在两个方向的位移和速度，再求合位移、合速度即可。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
1．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：各分运动之间互不相干、彼此独立、互不影响。
(3)等效性：各分运动的共同效果与合运动的效果相同。
2．合运动性质的判断
分析两个直线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，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，物体做匀变速运动。
③若a变化，物体做非匀变速运动。
(2)判断轨迹的曲直
①若a与v0共线，物体做直线运动。
②若a与v0不共线，物体做曲线运动。
3．合位移和合速度的计算
位移和速度的合成与分解都遵循平行四边形定则。例如：上图中蜡块在水平和竖直两个方向均做匀速直线运动时，设速度分别为vx、vy，则经过时间t，蜡块在水平方向的位移x＝vxt，竖直方向的位移y＝vyt，蜡块的合位移为l＝eq \r(x2＋y2)＝eq \r(v\\al(2,x)＋v\\al(2,y)) t，设位移与水平方向的夹角为α，则tanα＝eq \f(y,x)＝eq \f(vy,vx)，蜡块的合速度v＝eq \r(v\\al(2,x)＋v\\al(2,y))，合速度方向与vx方向的夹角θ的正切值为tanθ＝eq \f(vy,vx)。
4．运动的分解：运动的分解是运动合成的逆运算，可以将曲线运动问题转化为直线运动问题。
例1 (多选)质量为2 kg的质点在xOy平面内做曲线运动，在x方向的速度图像和y方向的位移图像如图所示，下列说法正确的是( )
A．质点的初速度大小为5 m/s
B．质点所受的合外力为3 N，做匀变速曲线运动
C．2 s末质点速度大小为6 m/s
D．2 s内质点的位移大小约为12 m
(1)通过速度图像能看出什么？
提示：质点在x方向的初速度为3 m/s，加速度为a＝eq \f(6－3,2) m/s2＝1.5 m/s2。
(2)通过位移图像能看出什么？
提示：质点在y方向做匀速直线运动，速度大小为v＝eq \f(8,2) m/s＝4 m/s。
[规范解答] 由x方向的速度图像可知，在x方向的初速度为3 m/s，加速度为1.5 m/s2，受力Fx＝3 N，由y方向的位移图像可知在y方向做匀速直线运动，速度为vy＝－4 m/s，受力Fy＝0。因此质点的初速度大小为5 m/s，A正确；受到的合外力为3 N，显然，质点初速度方向与合外力方向不在同一条直线上，质点做匀变速曲线运动，B正确；2 s末质点速度大小应该为v＝eq \r(62＋42) m/s＝2eq \r(13) m/s，C错误；2 s内，x＝vx0t＋eq \f(1,2)at2＝9 m，y＝－8 m，合位移大小l＝ eq \r(x2＋y2)＝eq \r(145) m≈12 m，D正确。
[完美答案] ABD
求解合运动或分运动的步骤
(1)根据题意确定物体的合运动与分运动。
(2)根据平行四边形定则作出矢量合成或分解的平行四边形。
(3)根据所画图形求解合运动或分运动的参量，若两个分运动相互垂直，则合速度的大小v＝eq \r(v\\al(2,x)＋v\\al(2,y))，合位移的大小s＝eq \r(s\\al(2,x)＋s\\al(2,y))。
eq \a\vs4\al([变式训练1－1]) (多选)如图所示的直角三角板紧贴在固定的刻度尺上方，现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( )
A．笔尖留下的痕迹是一条曲线
B．笔尖留下的痕迹是一条倾斜的直线
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 AD
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，其运动轨迹应是曲线，故A正确，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，时刻在变化，故C错误。笔尖水平方向的加速度为零，竖直方向的加速度方向向上，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。
eq \a\vs4\al([变式训练1－2]) 质量m＝2 kg的物体在光滑水平面上运动，其相互垂直的分速度vx和vy随时间变化的图线如图a、b所示，求：
(1)物体所受的合外力；
(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)4eq \r(10) m，与x轴正方向的夹角为arctaneq \f(1,3)
解析 (1)物体在x方向：ax＝0；
y方向：ay＝eq \f(Δvy,Δt)＝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＝ eq \r(v\\al(2,x)＋v\\al(2,y))＝5 m/s，
设速度方向与x轴正方向的夹角为θ，
则tanθ＝eq \f(vy,vx)＝eq \f(4,3)，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＝eq \f(1,2)ayt2＝4 m，
物体的位移l＝ eq \r(x2＋y2)＝4eq \r(10) m。
设位移方向与x轴正方向的夹角为α，
则tanα＝eq \f(y,x)＝eq \f(1,3)，所以α＝arctaneq \f(1,3)，
即位移方向与x轴正方向的夹角为arctaneq \f(1,3)。
课堂任务 小船渡河与关联速度问题
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：甲图反映的是小船渡河的什么情况？
提示：甲图反映的是小船渡河的分速度与合速度的情况。
活动2：乙图反映的是什么情况？
提示：乙图反映的是小船靠岸时的分运动与合运动的情况。
活动3：甲、乙两图的共同点是什么？
提示：物体的运动(合运动)都参与了两个分运动，由合运动与分运动的情况反映物体的运动规律。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
1．小船渡河问题
(1)三个速度：v船(船在静水中的速度)、v水(水流速度)、v合 (船的实际速度)。
(2)两个问题：
①渡河时间
a．船头与河岸成α角时，渡河时间为t＝eq \f(d,v船sinα)(d为河宽)。
b．船头正对河岸时，渡河时间最短，tmin＝eq \f(d,v船)(d为河宽)。
②最短航程
a．若v水＜v船，则当合速度v合垂直于河岸时，航程最短，xmin＝d。船头指向上游与河岸的夹角α满足csα＝eq \f(v水,v船)。如图①所示。
b．若v水＞v船，则合速度不可能垂直于河岸，无法垂直渡河。如图②所示，以v水矢量的末端为圆心、以v船矢量的大小为半径画圆弧，从v水矢量的始端向圆弧作切线，则合速度沿此切线方向时航程最短，由图可知船头指向上游与河岸的夹角α满足csα＝eq \f(v船,v水)，最短航程xmin＝eq \f(d,csα)＝eq \f(v水,v船)d。
2．关联速度问题
(1)对关联速度的理解
用绳、杆相牵连的物体在运动过程中的速度通常不同，但两物体沿绳或杆方向的分速度大小相等。
(2)关联速度问题的解题步骤
①确定合速度：牵连物端点的速度(即所连接物体的实际速度)是合速度。
②分解合速度：按平行四边形定则进行分解，作好矢量图。合运动所产生的实际效果：一方面产生使绳或杆伸缩的效果；另一方面产生使绳或杆转动的效果。两个分速度的方向：沿绳或杆方向和垂直于绳或杆方向。常见的模型如图所示：
③沿绳或杆方向的分速度大小相等，列方程求解。例如：v＝v∥(甲图)；v∥＝v∥′(乙图、丙图)。
例2 一小船渡河，河宽d＝180 m，水流速度v1＝2.5 m/s，船在静水中的速度为v2＝5 m/s，则：
(1)欲使船在最短的时间内渡河，船头应朝什么方向？用多长时间？位移是多少？
(2)欲使船渡河的航程最短，船头应朝什么方向？用多长时间？位移是多少？
(3)如果其他条件不变，水流速度变为6 m/s。船过河的最短时间和最小位移是多少？
(1)小船渡河时同时参与了几个分运动？如何渡河时间最短？
提示：参与了两个分运动，一个是船相对水的运动(即船在静水中的运动)，一个是船随水漂流的运动(即水的运动)。当v船垂直于河岸时到达对岸用时最短，最短时间与v水无关。
(2)当v水