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参考系的变换在高中物理中的运用

2020-06-23王洋

新教育时代·教师版 2020年13期
关键词:运动学动力学高中物理

王洋

摘 要:参考系的变换是解决高中物理运动学和动力学等问题的重要切入点,在处理相对运动问题的过程中,变换参考系的应用能够将复杂的解题过程条理化、简单化。本文将通过例题说明变换参考系在物理教学中的具体应用,以供参考。

关键词:变换参考系 高中物理 运动学 动力学

引言

与单个物体运动相比,多物体的系统问题不仅计算量大,还存在难度系数高的特点,将地面作为参考系并不能快速解决这类问题,所以在解决此类物理问题时,需要利用参考系转化的思想,才能让整个问题简单化,从而提升高中物理问题的解题效率,这类问题也是高考考察的重点内容[1]。

例谈参考系变换在物理问题中的运用

例1.假设子弹在射出的一瞬间,其水平速度达到了1000m/s,如图所示,在细绳上绑定6个环,环的直径d=5m,枪口与环的距离s=100m,并且与第5环环心保持在相同水平线,如果不考虑空气阻力,请解答以下问题:(1)开枪后,细绳断开,子弹将从哪一环穿出。(2)开枪前0.1s,细绳断开,此时子弹从哪一环穿出?

解析:问题(1),细绳断开后,环相对于地做的是自由落地运动,此时开枪后,子弹相对于地做的是平抛运动,将环视为参考系,则在竖直方向上,两者保持相对静止的状态,意味着相对加速度以及相对初速度均为0,同时,子弹相对于环做的是水平方向以做匀速直线运动,所以子弹将从第5环穿出。

问题(2),当环自由下落0.1s时,相对于地,其速度为v=gt,代入数值得到v=1m/s,下落高度为h=gt2h,代入数值得到h=5cm,此时枪口正对着第4环,将环视为参考系,开枪后,子弹在水平方向的初速度为,并且向右匀速直线运动,在竖直方向上,子弹做的是匀速运动,此时Vy相=1m/s,相遇用时t=,解得t=0.1s,那么子弹相对于环向上移动的距离y=Vy相,代入数值可得y=10m,由此得出子弹将从第2环穿出。

教学反思:当解决多个物体相对运动问题时,应该按照上例确定相关速度的方向,例如相对加速度以及相对位移等,在这一基础上,遵循分运动等时性和独立性特征,考虑运动规律的运用对问题进行详细梳理和解答[2].

(2015年新课标全国卷I)一长木板置于粗糙水平地面上,木板左端放置一小物块,在木板右方有一墙壁,木板右端与墙壁的距离为4.5m,如图(a)所示。t=0时刻開始,小物块与木板一起以共同速度向右运动,直至t=1s时木板与墙壁碰撞(碰撞时间极短)。碰撞前后木板速度大小不变,方向相反;运动过程中小物块始终未离开木板。已知碰撞后1s时间内小物块的v-t图线如图(b)所示。木板的质量是小物块质量的15倍,重力加速度大小g取10/s2。

求:

(1)木板与地面间的动摩擦因数及小物块与木板间的动摩擦因数;

(2)木板的最小长度;

解析:本文重点讲解前两问,第(1)问,木块与长木板一起向右匀减速直线运动,t=1s内位移为x=4.5m,末速度v=4m/s,由运动学公式x=vt-at2,代入数据解得a=-1m/s2.又根据牛顿第二定律,-u1(m+15m)g=(m+15m)a,解得,从而.u1=0.1.

由v-t图线得小物块的加速度a1=—4m/s2,又根据牛顿第二定律,—u2mg=ma1,解得a1=—U2g,从而u2=0.4

第(2)问,选择水平向右为正方向,小物块的加速度,碰墙后小物块的速度,长木板的速度v2=—4m/s,对长木板由牛顿运动定律得,u1mg+u2(m+15m)g,解得a2=m/s2。

本问要求木板最小长度,即为求物块相对于长木板向右运动得最大距离。本文选择巧选参考系解法,选择长木板为参考系,则碰墙后物块相对于长木板速度v相=v1-v2,解得V相=8m/s.物块相对于长木板得加速度a相=a1-a2,解得a相=-m/s2.当物块与长木板相对静止时,物块运动得位移X相=,解得X相=6m。

教学反思:本题是牛顿运动定律与运动学结合的综合类题目,旨在考查学生分析问题和解决问题的能力,本题需要学生熟练对物块和木板进行受力分析和运动过程分析。本文重点采用巧选参考系的方法解决第二问,本问也可以采用v-t图像法,平均速度法,多过程计算法等多种方法,但巧选参考系是最简单的方法,由于在木板和物块相对静止之前他们的受力没有发生变化,从而加速度不变,所以使用巧选参考系非常方便。但是采用此种方法必须选定正方向,确定两物体相对地面得初速度和加速度,从而求出相对初速度,相对加速度,进而解出相对位移。

结语

综上所述,教师应向学生说明不应将参考系局限在地面或者地球,引导学生根据需要调整和变换参考系,一旦固化参考系的选择则容易导致学生物理思维出现混乱,限制其物理思维能力的提升。教师应该将学生培养成会一题多解,寻找最简单的解法,同时发散自己的思维,不断提高核心素养。

参考文献

[1]刘安巍,付强.利用非惯性参考系求解高中物理典型习题初探[J].林区教学,2018,(01):67-69.

[2]范晓辉.新编奥林匹克物理竞赛指导.南京:南京师范大学出版社[M],2003.

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