转换法在求解自由落体运动问题中的应用

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  在求解自由落体运动问题时,利用转换法可以化繁为简,化难为易,帮我们轻松找到解题的方法。
  一、多体转单体
  在自由落体运动中,我们常遇到多个物体以相同的加速度、不同的时间运动的问题,求解这类问题时,如果对每个物体列方程,则求解过程较为复杂,若将它们转化为一个物体的运动,其他物体只不过是重复这一物体的运动,则能化繁为简。
  例1 江南梅雨时节,蒙蒙细雨会使屋檐定时滴出水滴。周末,小刚同学在家看屋檐水滴滴下,当观察到第5滴正欲滴下时,第1滴已刚好到达地面,而第3滴与第2滴正分别位于高1m的窗户上、下沿,如图1所示,取g=10m/s2,问:
  (1)此屋檐离地面多少米?
  (2)滴水的时间间隔是多少?
  (l)初速度为零的匀
  加速直线运动从开始运动起,连续相等时间内位移比为1:3:5:…:(2n-l),令相邻两水滴间的距离从上到下的比依次为x:3x:5x:7x,示意图如图2所示。由题意知窗高为5x,则5x=1m,x=0.2m。屋檐高h=x+3x+5x+7x=3.2m。
  (2)由公式得一滴水落地的时间为t
  二、直线转一点
  在有些自由落体运动问题中,研究对象不能看作是质点模型来列式求解,这时我们一般是把研究物体转化为研究物体上的一点,将物体的自由落体运动转化为该质点的自由落体运动,再由自由落体运动规律列式求解。
  例2 在某建筑工地一座吊塔上,竖直悬挂一根长15m的铁链,在铁链的正下方,距铁链下端5m处有一观察点A,铁链突然自由下落,如图3,铁链全部通过A点需多长时间?(g=10m/s2
  铁链自由下落过
  程中的示意图,如图3所示。所谓铁链全部通过A点,就是从铁链下端到达A点起(即到达Ⅱ位置),直到铁链的上端到达A点(即到达Ⅲ位置)所用的时间。这样,我们不必研究整个铁链的运动,只要分别研究铁链下端和上端两点的运动即可。
  设从自由下落到铁链下端到达A点所用时间为t1,从铁链下端到达A点到铁链上端到达A点所用时间为t2,则从I位置到Ⅱ位置的过程,由公式
  从I位置到Ⅲ位置的过程,有:
  由①②得t2=1s。
  例3 某人站在高楼顶拿住细杆的上端使之与楼顶同高,让杆自然悬垂,使杆从静止释放自由下落,某层楼内有一个人在室内用摄像机恰巧摄下了细杆通过窗口的过程,并从录像中发现细杆出现在窗口的时间t=ls,若该窗口高度h=2m,窗口上沿到楼顶的距离H=18m,试问杆的长度L为多少。
  解析
  作出细杆通过窗口的过程示意图如图4所示,杆从a处自由下落至b处时开始出现在窗口,至c处时完全通过窗口。由图知,杆通过窗口过程中,杆下落距离为L+h。若把杆当作质点处理,则杆下落距离为窗高h,这显然是不正确的。因此在此题中不能忽略杆的长度,不能把杆抽象成质点处理。
  由于杆中各点的运动情况相同,可在杆中任取一点(常取杆的端点)来研究,从而将杆的运动简化为质点的运动。
  设杆顶端为质点A,A从楼顶自由下落,从下落了H1开始,到下落了H2的过程,即为杆通过窗口的过程。H1=H-L,H2=H+h。
  根据自由落体运动规律有代人数据得L=13m。
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