求解追击问题的常用方法

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  追击问题是两个物体运动的问题。两个物体的速度相等往往是解题的关键,此时两物体间的距离可能最大,也可能最小。解决这类问题的方法是:选同一坐标原点、同一正方向、同一计时起点,分别列出两个物体的位移方程及速度方程。关键是找出两物体间位移关系、速度关系。当位移相等时,两物体相遇;两物体速度相等时,两物体相距最远或最近。这类问题巧用运动图象亦可使解题过程大大简化。
  1.通过运动过程的分析,找到隐含条件,从而顺利列方程求解,例如
  (1)匀减速物体追赶同向匀速物体时,能追上或恰好追不上的临界条件:
  即将靠近时,追赶者速度等于被追赶者速度(即当追赶者速度大于被追赶者速度时,能追上;当追赶者速度小于被追赶者速度时,追不上)
  (2)初速为零的匀加速物体追赶同向匀速物体时,追上前两者具有最大距离的条件:追赶者的速度等于被追赶者的速度。
  2.利用二次函数求极值的数学方法,根据物理现象,列方程求解
  3.在追击问题中还常常用到求“面积”的方法,它可以达到化繁为简,化难为易,直观形象的效果
  例1 甲乙两车同时同向从同一地点出发,甲车以v1=16m/s的初速度,a1=-2m/s2的加速度作匀减速直线运动,乙车以v2=4m/s的速度,a2=1m/s2的加速度作匀加速直线运动,求两车再次相遇前两车相距最大距离和再次相遇时两车运动的时间。
  解法一:
  两车同时同向出发,开始一段由于甲车速度大于乙车速度,将使两车距离拉开,由于甲车作匀减速运动,乙车作加速运动,总有某一时刻两车速度相同,此时两车相距最远,随着甲车进一步减速,乙车进一步加速,动车速度大于甲车速度,使两车距离变小,当乙车追上甲车时.两车运动位移相同。
  当两车速度相同时,两车相距最远,此时两车运动时间为t1,两车速度为v
  对甲车: v=v1+a1t1
  对乙车: v=v2+a2t1
  两式联立得 t1=(v1-v2)/(a1-a2)=4s
  此时两车相距 △s=s1-s2=(v1t1+a1t12/2)- (v2t1+a2t12/2)=24m
  当乙车追上甲车时,两车位移均为s,运动时间为t.则:
  v1t+a1t2/2=v2t2+a2t2/2
  得 t=8s 或t=0(出发时刻,舍去。)
  解法二:
  甲车位移 s1= v1t+a1t2/2
  乙车位移 s2= v2t2+a2t2/2
  某一时刻两车相距为△s
  △s=s1-s2= (v1t+a1t2/2)-(v2t2+a2t2/2)
  =12t-3t2/2
  当t=-b/2a时,即t=4s时,两车相距最远
  △s=12×4-3×42/2=24m
  当两车相遇时,△s=0,即12t-3t2/2=0
  ∴ t=8s 或t=0(舍去)
  例2 一辆汽车在十字路口等候绿灯,当绿灯亮时汽车以3m/s2的加速度开始行驶,恰在这时一辆自行车以6m/s的速度匀速驶来,从后边超过汽车。试求:汽车从路口开动后,在追上自行车之前经过多长时间两车相距最远?此时距离是多少?
  解法一:利用二次函数极值法求解
  
  设经过时间t汽车和自行车之间的距离ΔS,由图可得
  ΔS = S自 - S汽 = v自t - [12]at2 =6t -[32]t2
  二次函数求极值的条件可知:
  当t= -[b2a]=[63](s)= 2(s)时两车之间的距离有极大值,且ΔSma x =6×2 -[32]×22 =6(m)
  解法二、利用分析法求解
  自行车在追击汽车的前一阶段过程中,由于汽车的速度小于自行车的速度,汽车与自行车之间的距离越来越大;当汽车的速度大于自行车的速度以后,汽车与自行车之间的距离便开始缩小,很显然,当汽车的速度与自行车的速度相等时,两车之间的距离最大。
  由上述分析可知当两车之间的距离最大时有
  v汽 =at = v自
  ∴ t =[v自a]=[63](s)=2(s)
  ∵ΔSma x = S自 - S汽
  ∴ΔSma x = v自t - [12]at2 =6×2 -[32]×22 =6(m)
  解法三:利用图象求解
  在同一V---t图中画出自行车和汽车的速度图线,如图所示,其中Ⅰ表示自行车的速度图线,Ⅱ表示汽车的速度图线,自行车的位移S自等于图线Ⅰ与时间轴围成的矩形的面积,而汽车的位移S汽 则等于图线Ⅱ与时间轴围成的三角形的面积。两车之间的距离则等于图中矩形的面积与三角形面积的差,不难看出,当t=t0时矩形与三角形的面积之差最大,
  即: ΔSma x =6t0 - [12]t0×6 (1)
  因为汽车的速度图线的斜率等于汽车的加速度大小
  ∴tgθ=[6t0]=a
  ∴ t0 =[6a]=[63](s)=2(s) (2)
  由上面(1)、(2)两式可得ΔSma x =6 (m)
  解法四、利用相对运动求解
  选自行车为参照物,则从开始运动到两车相距最远这段过程中,汽车相对此参照物的各个物理量的分别为:v相初 = 6m/s,a相 = -3 m/s2, v相末 = 0 。
  由公式 2a相S相 = v相末2- v相初2 得
  S相 =[v相末2-v相初22a相]= [0-622×(-3)] =6(m)
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