2019 06月25

物理竞赛典型例题精讲——车玻璃上向上运动的水珠

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 本期高中物理竞赛试题,我们共同来研究一个生活中非常常见的现象,每当开车在下雨天行驶时,车的前挡风玻璃上就会看到有很多水珠并不是沿着车玻璃向下运动的,它们居然能够沿着车玻璃向上运动,难道水不仅仅能在受到重力的作用的情况下向下运动,也能向上运动了,这其中到底还蕴含着哪些知识点呢,本期内容就简单的将这个生活中的现象抽象成一个非常简单的模型,通过这个模型的研究和计算,同学们可以明白这个水珠真实的运动方向,其实与咱们观察到的方向并不相同哦,这里小编不便更多透漏了,同学们试着自己分析一下,看看能不能能明白小水珠的运动方向,如果不明白,小编在后面的内容中详细解释说明。


本期题目的解题方法,小编给同学们提供了两种解题思路,其中第一种方法小编整理出来的原因是为了方便同学们理解这个运动的本质,但是从竞赛题目解题方法角度上来说,第一种方法并不十分推荐给同学们使用,因为第二种方法的存在,将使本期题目的难度降低到一个非常低的水平,在竞赛解题过程中,利用方法二的思路不仅可以简化思维过程、快速解出该题目并且不容易出错,如此有优势的方法同学们是必须要掌握的。

高中物理竞赛典型题与解题步骤


如图1所示,与水平方向成0角的AB棒上有一滑套C,可以无摩擦地在棒上滑动,开始时与棒A端相距为b,相对于棒静止,当棒保持倾角0不变地沿水平面匀加速直线运动,加速度为a(且a>g*tan 0)时,求滑套C从棒的A端滑出所经历的时间。

高中物理竞赛题解题方法与思路

好了,同学们自己思考出来了吗?能够理解滑套在直棒上的运动状态了吗?其实滑套在直棒上并不是像咱们观察到的一样,沿着直棒向上运动的,反而滑套是沿着直棒做匀加速下滑运动的,为什么会出现这个奇特的现象呢?其实关键因素就在于我们在研究这个问题的时候选取的参考系不同,由于通常观察到这个现象时,同学们都是坐在车里,当然默认此时的参考系为行驶中的汽车,但是由于行驶中的汽车可能并不是惯性参考系,当选取地面这样的惯性参考系下研究这个问题时,可能就会得到不一样的结果,这也就是这个题目非常重要的一点。


好了,小编在这里具体分析一下滑套在直棒上的运动状态。通过对直棒上的滑套受力分析可知,滑套其实仅仅受到了两个外力的作用,一个是滑套自身的重力,另一个是直棒对滑套的支持力,因此有运动关系可知,其滑套的运动方向应该就在重力与支持力所成的夹角之中,但不要忘记,分析上述问题时,所选取的参考系都是惯性参考系,即选取地面为参考系的,这就要求同学们需要重新考虑在地面为参考系下,滑套的运动状态,即如图2所示的方向,通过图2的标准演示,同学们应该能够明白,其实滑套的运动方向是在重力和支持力所成的夹角范围内的。

如果将受力分解,就不难发现其实对于滑套沿直棒方向的受力和滑套沿垂直于直棒方向的受力,都是不平衡的,因此滑套具有垂直于直棒的加速度和沿直棒向下的加速度,因此在这两个加速度的作用下,滑套的运动可以看成沿着垂直于直杆的方向的匀加速直线运动和沿着直棒下滑的匀加速直线运动的合成,在图中不难发现其具体的几何关系,并利用几何关系找到了沿斜面运动的距离与直棒水平运动距离的关系,从而进一步将题目解出来。说到这里,同学们应该可以明白了,为什么说此题目中滑套非但不是沿直棒向上运动的,并且与看到的方向正好相反,滑套是沿着直棒向下运动的,这点对分析整个题目的运动过程是非常重要的。


说完了题目中滑套的具体运动状态,下面小编重点再说一下这个题目的解题方法,当然解题方法不一定就要将题目分析得非常彻底才能解题,本题推荐得方法在同学们不明白上述运动状态分析得情况下,仍旧能够解出本题,这就需要一个非常强大得工具:惯性力。上面的分析已经明确了,当选取非惯性参考系直棒的情况下,滑套的运动状态非常容易分析出来,但是由于直棒是非惯性参考系,因此在选取直棒为参考系下,经行受力分析时,就需要引入一个量来模拟非惯性参考系对研究对象的影响,这个引入的不存在的力就称作惯性力,在引入惯性力后,非惯性参考系下的受力分析就变得与惯性系下的受力分析完全相同,相信同学们看看解题步骤也能明白小编的这句话是什么意思,这里小编不再具体说明后面的解题过程了,相信同学们都能看明白。



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