斜抛运动的“高级”解法:三个方程

时间:2023-11-21 10:33:31  热度:0°C

今天,跟小伙伴们讲一下斜抛运动的解题方法,

当然,斜抛也好,平抛也好,基础的解题思路就是运动的分解,分为水平方向的匀速运动和竖直方向的匀变速运动,确实是这样的,

但今天要跟小伙伴们介绍一些稍微高级一点的做法,主要讲三个方程,

为了证明这些方法是有实用性的,

我们先看一道之前浙江七彩阳光联盟考单选题的最后一题,如下,

例1:如图,空间中存在水平向左的匀强电场,场强大小为。两块间距为3d的足够大平行板金属板P、Q竖直置于电场中,两板内侧均匀涂有荧光物质。Q板上某处有一粒子源O,可以向各个方向均匀发射质量为m、电荷量为+q、速度大小为v0的带电粒子,粒子撞击到荧光物质会使其发出荧光。不计粒子重力,则下列说***确的是( )

A/初速度方向与竖直方向成60°角的粒子打在Q板上最远处

B/带电粒子在电场中运动的时间均小于

C/P板上的发光面积为

D/Q板上的发光面积为

解析:这题作为单选题的最后一题,应该是有一点难度的吧,

这道题的本质是抛体运动,我们直接将电场力等效为重力即可,,得到,,然后,我们就当做重力场中的抛体运动来处理就行啦!

这道题目我们就不讲了,现在,我们要把他改编的更难一点,如下,

例2:如图,空间中存在水平向左的匀强电场,场强大小为。两块间距为6d的足够大平行板金属板P、Q竖直置于电场中,两板内侧均匀涂有荧光物质。两板中间有一粒子源O(粒子源到两板的距离都是3d),可以向各个方向均匀发射质量为m、电荷量为+q 、速度大小为v0的带电粒子,粒子撞击到荧光物质会使其发出荧光。不计粒子重力,则求P板和Q板上的发光面积。

好了,题目已经改编完了,小伙伴们可以开始求解了,

现在,大家都喜欢做一些原创题,我也和小伙伴们交流了一下,怎么样设计原创题,但这些所谓的原创题其实“万变不离其宗”的,最基础的知识点还是那些,

所以,我们现在以这个题目为契机,再来讲一讲斜抛运动,回顾完了之后呢,我们再来求解这个问题哈!

开始了,

设一斜抛运动,初速度大小为v0,方向与水平方向夹角为θ,那么经过一段时间t后,

水平方向的位移为,,

竖直方向的位移为,,

联立两个方向的位移方程,消去时间 t ,得到轨迹方程,

在求解轨迹方程的过程中,我们其实可以得到一个很重要的人生哲理,

我们仔细看水平方向和竖直方向的两个位移方程,如果我们在地球上做抛体运动,也就是重力加速度g不变的话,这两个位移方程涉及三个参数,分别为,初速度大小v0,初速度方向与水平方向的夹角θ,还有运动时间t,

在这里我们为了得到轨迹方程,消去了时间t,结果是什么,得到了轨迹方程,轨迹方程是什么,就是包含了所有时间的物体的位置的***,

发现了,消去了时间,却得到了包含所有时间的轨迹方程,我们称之为“消去谁、成全谁”,就好像是“如果某个人不在了,他其实是无处不在了”!哈哈,开个玩笑,

但小伙伴们可以先自己想一想,如果消去初速度v0,是不是就能得到包含各种初速度抛出的物体在某个时刻的位置***,

如果消去了角度θ,是不是就能得到包含各种角度抛出的物体在某个时刻的位置***呢!

扯远了,我们回归正题,

现在,如果我们以相同的初速度v0,不同的水平夹角θ做斜抛运动,则得到一系列轨迹方程,作图如下,

现在,我们把轨迹中所有的最高点连起来,得到一个最高点连线的图形,如下,

如上图,形状是个“椭圆”,我们给他取个名字吧,就叫做“高点椭圆”吧,

现在,我们要证明一下最高点连线确实是个椭圆,并且还得把椭圆的表达式求出来,

则当初速度为v0,与水平方向夹角为θ时,

斜抛最高点的纵坐标为,,

此时的横坐标为,

联立上述两式,消去角度θ即可,消去角度θ的方法为,

由纵坐标方程化解得到,,

由横坐标方程化解得到,,

根据,

得到,,

我们知道,其中是竖直上抛所能达到的最高点,也是各种角度斜抛所能达到的最高点中的最高点,我们记为hm,

这样我们就得到了“高点椭圆”方程为,,

该方程是以hm为半长轴,为半短轴,中心在的椭圆。

然后,我们再跟小伙伴们介绍另一个方程,那就是包络线方程,

就是当以初速度v0不变,各种角度斜抛时所能达到的区域的边界,

如下图,

我们来看一下,怎么研究这件事情,

我们根据水平和竖直方向的位移方程,

水平方向的位移为,,

竖直方向的位移为,,

联立消去角度θ,就好像上面说的一样,“消去谁,成全谁”,我们得到的是,包含所有角度抛出的物体在某时刻的位置的***,

化解得到,,

进一步化解得到,

注意到,上式其实是关于的二次函数,

现在要该方程有解,则根据初中数学知识,

得到,,

得到,,

化解得到,,

故,包络线方程为,,

看一下,其实还是蛮符合实际的,

比如当x=0时,,为竖直上抛运动达到的最高点。

如果我们还是用来表示,

也可以将包络线方程表示为,

好了,我们总结一下,一共得到了三个方程,

单一抛体运动的轨迹方程,

各种角度斜抛的“高点椭圆”方程,

各种角度斜抛的包络线方程,

好了,接下来我们结合打板问题,看看这些方程怎么运用吧,

如下图所示,

如果在抛出点的上下方均有一无限长的水平直板,则抛体打板的范围为,

在抛出点上方,打板范围由“高点椭圆”方程与水平直板相交决定,

在抛出点下方(含抛出点等高处),打板范围由包络线与水平直板相交决定,

小伙伴们自己结合上面的图形理解一下哈!

如果要求解临界情况的抛体速度方向,也就是与水平方向的夹角,只要将相应的交点(“高点椭圆”与水平直板的交点,或者包络线与水平直板的交点),代入到轨迹方程中求解角度即可,

我们举例说明一下哈,

比如我们要使得抛体运动到抛出点等高处时水平位移最远,那么只要令包络线中的yb=0即可,,求解得到,,

将该点代入轨迹方程中,

一番化解就能得到,,

结合实际得到,,这个结论小伙伴们应该都是知道的哈!

好了,这样就算讲完啦!

我们最后回过来看一下改编的题目,

例2:如图,空间中存在水平向左的匀强电场,场强大小为。两块间距为6d的足够大平行板金属板P、Q竖直置于电场中,两板内侧均匀涂有荧光物质。两板中间有一粒子源O(粒子源到两板的距离都是3d),可以向各个方向均匀发射质量为m、电荷量为+q 、速度大小为v0的带电粒子,粒子撞击到荧光物质会使其发出荧光。不计粒子重力,则求P板和Q板上的发光面积。

解:这样就很简单了吧,直接类比到抛体运动,

由,得到,,然后得到,,

这样我们就得到了“高点椭圆”方程为,

将直板代入,得到,,

这样就得到了P板的发光面积为,

再得到包络线方程为,

将直板代入,得到,,

这样就得到了Q板的发光面积为,

如果我们并不清楚这些所谓的“高点椭圆”方程和包络线方程,那么这道题目怎么做呢?小伙伴们自己想一想哈,其实也不难的哟!

但是,就这道题目而言,上面的做法还是存在一点问题的,小伙伴们发现了么,发现问题的可以跟作者私信留言哟,前三个指出问题所在的,送袁氏物语9月刊电子版一份!

好了,终于讲完啦,需要给自己放假休息一下喽!

突然想起了“患得患失”这个成语,以前吧,我总觉得“患失”是可以理解的,人么,都害怕失去,那为什么会“患得”呢,

我感觉“患得”应该是一种很不正常的心理吧,比如我,有时候真的不想努力了,不努力了那就做个“废物”呗,做个“废物”也挺好的,反正我啥也不做了,啥也没有,“自作自受”呗,

因为,我害怕努力,我努力了,倒也不是一无所获,比如经常有粉丝小伙伴们私信我“努力做自己”,还有各种鼓励与支持,但是我还是害怕,害怕“得到”,因为我害怕“所得”匹配不了我所付出的努力,害怕“所得”与“努力”不成正比,于是人就变得不敢去努力了,

当然,这也只是一种“逃避”的借口吧!不知道小伙伴们有没有“患得”呢?

好了,小伙伴们,咱们下期再见啦!

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