高三物理相對運動的應用主要有以下幾種情況:
汽車剎車。小車在水平光滑軌道上以一定的初速度運動,如果突然連接一個靜止的墻,小車將會受到撞擊而做變速運動,而墻相對于小車是靜止的,這就是相對運動。
火車相對運動。兩輛火車并排停著,一個勻減速,另一個勻速前進,從勻速前進的火車車頭到跟它相并的火車車尾,再從這頭走到那頭,人的運動是相對運動。
地球自轉。地球上的人觀察到物體的運動是相對地球靜止的,而物體是運動的。
物體間相對運動。兩個或幾個物體組成一個系統,其中一個物體相對于其他物體發生相對運動或相對運動趨勢時,該物體系統的運動狀態發生變化。
此外,還有相對地面靜止的參考系等等。在處理相對運動問題時,要明確各個參考系之間的區別,選擇最適合研究目的的參考系,才能得到正確的結論。
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題目:一個質量為 m 的小車停在光滑的水平面上,小車的上表面是一光滑的圓弧面,圓弧面的圓心為O,半徑為R。一個人站在小車上,質量也為 m,他從圓弧面的頂端無初速度滑下,求他滑到圓弧面底端時小車的速度。
分析:
1. 人和車在水平方向上相對靜止,因此可以看作一個系統。
2. 人從圓弧面頂端滑下時,受到重力和圓弧面的支持力,這兩個力的合力提供人滑動的向心力。
3. 系統在水平方向上受到的合外力為零,因此水平方向上動量守恒。
解答:
設人在圓弧面底端時小車的速度為v1,人的速度為v2。根據動量守恒定律,有:
mv2 = (m+m)v1
由于人和車在水平方向上受到的合外力為零,因此水平方向上動量守恒。設車的位移為s,人的位移為s',則有:
s = s'
又因為人和車的位移之和等于圓弧的周長,即:
s + s' = 2πR
將上述三個式子代入速度的表達式中,可得:
v2 = (m+m)v1 / (m+m) = v1
所以當人在圓弧面底端時,小車的速度與人的速度相等。
總結:本題通過相對運動的應用,利用動量守恒定律和幾何關系求解了人在圓弧面底端時小車的速度。解題的關鍵是要明確人和車在水平方向上相對靜止,受到的合外力為零,以及幾何關系的應用。