师:今天我们一起来学习运动的合成与分解第二讲,首先学习几个基本概念。v船指船在静水中的速度方向,也就是船头的方向;v水指水流的速度方向,与河岸平行;v指船的实际速度。
我们先看例题,一艘小船在420米宽的河中横渡到对岸,已知水流速度是4米每秒,小船在静水中速度是5米每秒。欲使航行距离最短,船应该怎样行驶?渡河时间是多长?要求最短航程。根据数学知识,两平行线之间垂线段最短。我们思考,v水为4米每秒,v船为5米每秒,能否实现小船垂直过河呢?根据平行四边形定则,当v船比v水大时,可以让船的实际速度与河岸垂直,此时小船渡河的位移就是河宽。
当小船垂直渡河时,船头与河岸的夹角θ,就等于v水与v船的比值。当船头指向斜向上与河岸夹角为θ时,垂直河岸运动航程最短,数值等于河宽420米。根据船头与河岸夹角为θ,可得cosθ = v水/v船 = 4/5 。进一步求出船在水中运动的实际速度为3米每秒,物体的合位移等于河宽d。所以小船渡河时间等于河宽d除以小船渡河的实际速度,这样就能求出小船渡河的时间。
现在看第二题,小船在420米宽的河中横渡到对岸,已知水流速度是3米每秒,小船在静水中速度是4米每秒。要找船渡河时间最短的方式,以及最短时间是多少,船经过的位移是多大?
要让小船渡河时间最短,就要使小船垂直河岸的速度最大,因为河宽确定,垂直河岸速度越大,小船渡河时间越短。所以,当船头与河岸垂直时,小船渡河时间最短。此时船的实际速度是小船垂直河岸速度与水流速度的合速度,小船将沿合速度方向渡到河岸。所以,要使船渡河时间最短,船头方向应垂直于河岸,最短时间等于河宽除以船速。
把相关数据代入,可求出小船渡河最短时间为105秒。那么小船渡河的位移怎么求解呢?此时的合速度是小船垂直河岸速度与水流速度的合速度。根据勾股定理,可求出此时船的合速度v = √(V12 + V22) ,得出合速度大小为5米每秒。由于合运动与分运动具有等时性,小船渡河的航程即实际运动的位移,等于船的实际速度(合速度)与小船渡河时间的乘积,代入数据可求出小船渡河的航程为525米。
接着看第三个问题,河宽仍是420米,水流速度是4米每秒,小船在静水中速度是3米每秒,即船速小于水速。求小船渡河的最短时间,船应怎样渡河?第二问,如果想让航行距离最短,船应怎样渡河?最短航线是河宽吗?
首先看第一个问题,小船渡河时间最短。因为河宽一定,还是垂直河岸速度越大,小船渡河时间越短,不受船速和水速大小关系影响,依然是船头和河岸垂直时渡河时间最短。关键是当水速大于船速时,小船渡河的最小位移还是河宽吗?我们来看,v水是4米每秒,v船是3米每秒,当船头方向不同时,有各种可能性。小船实际运动将沿合速度运动到对岸。当v船与河岸垂直时,小船沿一条线运动到对岸,小船速度改变,合速度方向改变,过河对岸的位移也会改变。通过观察发现,当合速度方向与河岸夹角越大,小船渡河位移越小,这样就能找到小船渡河的最短时间。但因为V2小于V1,无法让小船合速度垂直河岸到达对岸,此时小船渡河的最小位移不再是河宽,而是当船速与合速度垂直时渡河位移最小。
