HSC 物理:将抛体运动分解为分量

学习如何把抛体运动分解为水平与垂直分量、使用共同的时间,并在 HSC 物理题目中正确重新组合速度。

想像有两颗完全相同的球,位于相同高度。你让其中一颗垂直落下,并在完全相同的一瞬间,将另一颗水平射出。

哪一颗会先落地?

人们很容易以为,被射出的球因为有「额外的运动」,所以会在空中停留更久。然而,在理想抛体模型中,两颗球会同时落地。第二颗球的水平速率并不会延迟它在垂直方向上的下落。

这个结果正是抛体运动的关键:把水平运动与垂直运动分开处理,两者使用同一个时间,然后在需要求出抛体的实际位置或速度时,再把它们组合起来。

01一个抛体,两种运动

想像一颗球离开你的手之后在空中运动。假设球被放开后,我们忽略空气阻力。

有哪些力作用在它上面?

只有它所受的重力。重力垂直向下作用,水平方向则没有力。

因此,一条弯曲的路径其实包含两种简单得多的运动:

方向加速度速度会怎样变化?
水平,\(x\)\(a_x = 0\)水平速度保持不变
垂直,\(y\)\(a_y = -g\)垂直速度持续改变

在地球表面附近,\(g = 9.8\ \text{m s}^{-2}\)。

抛体沿抛物线轨迹运动,其发射速度分解为水平分量 uₓ 和垂直分量 uᵧ,并标示向下的重力加速度箭头 g。
将发射速度分解为互相垂直的分量:uₓ 保持不变,而重力会改变垂直方向的运动。

因此,弯曲的轨迹并不是一种复杂的单一运动,而是水平方向的等速度运动与垂直方向的等加速度运动同时发生。

一个有用的想像方式是:两名学生各自抬著一块大型白板的一端。其中一名学生只控制左右移动,另一名只控制上下移动。白板最后的位置取决于两者,但任何一人都不会直接改变另一人正在做的事。

这个比喻并不完全成立,因为抛体是一个物体,而不是两个人。真正重要的概念只是:彼此垂直的运动分量可以分开分析。

02分解初速度

假设一个抛体以速率 \(u\),并以高于水平线的角度 \(\theta\) 发射。

速度向量可以分解为:

\[ u_x = u\cos\theta \]

以及

\[ u_y = u\sin\theta \]

其中:

  • \(u_x\) 是初始水平速度,单位为米每秒,
  • \(u_y\) 是初始垂直速度,单位为米每秒,
  • \(u\) 是发射速率,单位为米每秒,以及
  • \(\theta\) 是高于水平线的发射角。

这只是直角三角学。如果 \(\theta\) 是从水平方向量起,水平分量是角的邻边,因此使用余弦;垂直分量是对边,因此使用正弦。

例如,如果一颗球以 \(20\ \text{m s}^{-1}\) 的速率、\(30^\circ\) 的角度发射,

\[ u_x = 20\cos30^\circ = 17.3\ \text{m s}^{-1} \]

以及

\[ u_y = 20\sin30^\circ = 10.0\ \text{m s}^{-1}. \]

因此,抛体一开始同时有两种运动:水平方向 \(17.3\ \text{m s}^{-1}\),向上方向 \(10.0\ \text{m s}^{-1}\)。

速率并没有因此变成 \(27.3\ \text{m s}^{-1}\)。分量不能像普通数字那样直接相加,因为它们彼此成直角。

03两个方向使用同一个时间

这是抛体题目能够解开的关键。

假设抛体已经运动了 \(1.2\ \text{s}\)。它的水平运动已经进行了 \(1.2\ \text{s}\),而垂直运动也同样进行了 \(1.2\ \text{s}\)。

并不存在两个不同的时间。

对水平运动而言,因为 \(a_x=0\),

\[ x = x_0 + u_x t \]

以及

\[ v_x = u_x. \]

对垂直运动而言,若取向上为正方向,

\[ y = y_0 + u_y t - \frac{1}{2}gt^2 \]

以及

\[ v_y = u_y-gt. \]

其中:

  • \(x_0\) 和 \(y_0\) 是初始座标,单位为米,
  • \(x\) 和 \(y\) 是之后的座标,
  • \(t\) 是经过的时间,单位为秒,
  • \(v_x\) 和 \(v_y\) 是之后的速度分量,单位为米每秒。

注意这两组方程之间的连结:\(t\)。

这个共同的时间通常就是你从一个分量转到另一个分量的方式。你可能先利用垂直运动求出抛体在空中停留多久,再把这个时间代入水平方程,以求出它的水平射程。

范例:从长凳滚落的球

一颗球以 \(6.00\ \text{m s}^{-1}\) 的速率,从高 \(1.80\ \text{m}\) 的长凳水平飞出。忽略空气阻力。求它到达地板所需的时间、落地点距离长凳多远,以及碰撞前一瞬间的速度。

步骤 1:选择方向并找出各分量。

取向上为正方向。由于球是水平飞出的,所以初始垂直速度为零:

\[ u_x = 6.00\ \text{m s}^{-1}, \qquad u_y=0. \]

到地板的垂直位移为

\[ \Delta y=-1.80\ \text{m}. \]

步骤 2:利用垂直运动求飞行时间。

垂直位移方程为

\[ \Delta y=u_y t-\frac{1}{2}gt^2. \]

代入数值,

\[ -1.80=0-\frac{1}{2}(9.8)t^2. \]

因此,

\[ t=\sqrt{\frac{3.60}{9.8}}=0.606\ \text{s}. \]

水平发射速率完全没有出现在这个计算中。这就是为什么水平射出的球和直接放下的球,在下降相同高度时所需的时间相同。

步骤 3:在水平方向使用同一个时间。

\[ \Delta x=u_x t=(6.00)(0.606)=3.64\ \text{m}. \]

球落在距离长凳边缘正下方 \(3.64\ \text{m}\) 的位置。

步骤 4:求碰撞前一瞬间的速度分量。

水平速度保持不变:

\[ v_x=6.00\ \text{m s}^{-1}. \]

垂直方向上,

\[ v_y=u_y-gt=0-(9.8)(0.606)=-5.94\ \text{m s}^{-1}. \]

负号表示方向向下。

步骤 5:重新组合各分量。

速率为

\[ v=\sqrt{v_x^2+v_y^2} =\sqrt{(6.00)^2+(-5.94)^2} =8.44\ \text{m s}^{-1}. \]

它在水平线下方的方向角为

\[ \phi=\tan^{-1}\left(\frac{5.94}{6.00}\right)=44.7^\circ. \]

所以在碰撞前一瞬间,球以 \(8.44\ \text{m s}^{-1}\) 的速率运动,方向为水平线下方 \(44.7^\circ\)。

04「独立」代表什么,又不代表什么

如果把「水平运动与垂直运动彼此独立」这句话理解得太字面,就可能产生问题。

它的意思是,在理想模型中,重力会改变垂直速度,但不会改变水平速度。

它并不表示水平和垂直方向的计算彼此毫无关系。两者描述的是同一个抛体,因此它们所使用的时间必须一致。

假设一个抛体在 \(2.0\ \text{s}\) 后到达一面墙。你不能只因为 \(1.6\ \text{s}\) 会得到一个方便的高度,就在垂直方程中改用 \(1.6\ \text{s}\)。两个分量必须描述同一瞬间。

这个「共同时间」的限制,是检查抛体运动计算错误时非常有用的方法之一。

05到达最高点时,重力并不会「用完」

现在考虑斜向发射。

当抛体上升时,由于重力向下作用,\(v_y\) 会逐渐减小。在最高点,

\[ v_y=0. \]

预测一下那一瞬间的加速度会怎样。它也会变成零吗?

不会。重力仍然在作用,因此即使在最高点,

\[ a_y=-9.8\ \text{m s}^{-2} \]

仍然成立。

垂直速度为零,只表示抛体在那一瞬间停止向上运动。这并不表示重力消失了。

同时,

\[ v_x=u_x \]

在整个理想飞行过程中都成立。

因此,一般斜向抛射的抛体在最高点时,速度是水平的,但加速度则垂直向下。

范例:抛体能越过墙吗?

一个抛体从高于地面 \(5.00\ \text{m}\) 的平台,以 \(20.0\ \text{m s}^{-1}\) 的速率、水平线上方 \(35.0^\circ\) 的角度发射。一面垂直墙位于发射点水平方向 \(25.0\ \text{m}\) 处,高 \(10.0\ \text{m}\)。忽略空气阻力。

抛体能越过墙吗?另外,求它经过墙时的速度。

步骤 1:分解发射速度。

\[ u_x=(20.0)\cos35.0^\circ=16.4\ \text{m s}^{-1} \]

以及

\[ u_y=(20.0)\sin35.0^\circ=11.5\ \text{m s}^{-1}. \]

步骤 2:利用水平运动求抛体到达墙壁的时间。

由于水平速度保持不变,

\[ t=\frac{\Delta x}{u_x} =\frac{25.0}{16.4} =1.53\ \text{s}. \]

步骤 3:求同一时间下的垂直位置。

\[ y=y_0+u_y t-\frac{1}{2}gt^2. \]

代入数值,

\[ y=5.00+(11.5)(1.53)-\frac{1}{2}(9.8)(1.53)^2 =11.1\ \text{m}. \]

墙高 \(10.0\ \text{m}\),因此抛体越过墙顶的高度约为

\[ 11.1-10.0=1.1\ \text{m}. \]

步骤 4:求抛体到达墙时的速度分量。

水平方向,

\[ v_x=16.4\ \text{m s}^{-1}. \]

垂直方向,

\[ v_y=11.5-(9.8)(1.53)=-3.48\ \text{m s}^{-1}. \]

抛体到达墙时已经正在下降。

步骤 5:重新组合各分量。

\[ v=\sqrt{(16.4)^2+(-3.48)^2}=16.7\ \text{m s}^{-1}. \]

水平线下方的角度为

\[ \phi=\tan^{-1}\left(\frac{3.48}{16.4}\right)=12.0^\circ. \]

因此,它能越过墙,并以约 \(16.7\ \text{m s}^{-1}\) 的速率通过墙的位置,方向为水平线下方 \(12.0^\circ\)。

注意,发射角是在水平线上方,但到达墙时的速度角却在水平线下方。即使水平速度没有改变,抛体的运动方向仍会改变。

06重新组合运动

有些题目只要求水平距离或最大高度。在这种情况下,你可能完全不需要重新组合各分量。

但如果你需要抛体的实际速度,就使用毕氏定理:

\[ v=\sqrt{v_x^2+v_y^2}. \]

它相对于水平方向的角度可以由

\[ \tan\phi=\frac{v_y}{v_x}. \]

求得。

要注意正负号。如果 \(v_y<0\) 而 \(v_x>0\),代表抛体正朝水平线下方运动。

位移分量也可以用同样的方法处理。如果一个物体相对某个参考点,在水平方向移动了 \(x\) 米、垂直方向移动了 \(y\) 米,这两个分量合起来就能确定抛体在二维空间中的位置。

07为什么轨迹是弯曲的

水平位移随时间呈线性增加:

\[ x=u_x t \]

如果抛体从 \(x=0\) 开始。

垂直位移则包含一个 \(t^2\) 项:

\[ y=y_0+u_y t-\frac{1}{2}gt^2. \]

如果 \(u_x\neq0\),则

\[ t=\frac{x}{u_x}. \]

把它代入垂直方程可得

\[ y=y_0+\frac{u_y}{u_x}x-\frac{g}{2u_x^2}x^2. \]

对于以速率 \(u\)、角度 \(\theta\) 发射的情况,也可写成

\[ y=y_0+x\tan\theta-\frac{gx^2}{2u^2\cos^2\theta}. \]

最重要的特征是 \(x^2\) 项。在理想的恒定重力模型中,轨迹是一条抛物线。

并不是每一道抛体题目都需要使用这条方程。很多时候,使用具有共同时间的分量方程会更清楚,也更不容易误用。

08造成一半问题的常见迷思

一种常见的想法是:

抛体曾经被向前推,所以一定有某个向前的力持续作用在它上面。

这听起来很合理,因为日常生活中的物体通常会在你推它们之后慢下来。

但它们通常是因为摩擦力或空气阻力而减速。在理想抛体模型中,一旦物体离开发射装置,就不再有持续作用的水平力。

因此,依照牛顿第一运动定律,它的水平速度保持不变。

另一个很容易犯的错误几乎正好相反:「重力作用在抛体上,所以它的整个速度都一定会减小。」

重力只会改变与重力方向平行的速度分量。使用我们一般的座标轴时,这就是 \(v_y\)。它不会直接改变 \(v_x\)。

09简单的分量模型何时不再精确

HSC 的抛体模型通常假设:

  • 空气阻力可以忽略,
  • 重力加速度保持不变并且垂直向下,以及
  • 在所涉及的距离范围内,可以忽略地球的曲率与自转。

在这些假设下,

\[ a_x=0,\qquad a_y=-g. \]

真实的抛体可能会受到阻力。阻力的方向与物体速度相反,因此它可以同时具有水平分量与垂直分量。此时,\(v_x\) 就不再保持不变。

把向量分解成分量的方法本身仍然有效。改变的是你在每个分量方程中所使用的物理模型。

这个区别很重要:分量是一种数学方法,而「水平速度保持不变」则是某个特定物理模型的结果。

10解答 HSC 抛体题目的可靠方法

当一道抛体题目看起来很复杂时,可以按照以下顺序处理:

  1. 选择正 \(x\) 与正 \(y\) 的方向。
  2. 画出或找出初速度向量。
  3. 把它分解成 \(u_x\) 和 \(u_y\)。
  4. 如果适用理想抛体的假设,写出 \(a_x=0\) 和 \(a_y=-g\)。
  5. 判断哪一个分量具有足够资料可求出时间。
  6. 在另一个分量中使用同一个时间。
  7. 只有在题目要求总速率、方向或位移时,才重新组合各分量。
  8. 检查正负号与物理结果是否合理。

负的 \(v_y\) 通常完全合理:它代表抛体正在下降。负的时间则通常不是你要找的物理解。

11问题与解答

问题 1

一颗球以 \(14.0\ \text{m s}^{-1}\) 的速率,从高 \(19.6\ \text{m}\) 的悬崖顶水平射出。忽略空气阻力。

求:

a. 到达地面所需的时间,
b. 水平移动的距离,以及
c. 碰撞前一瞬间的速度。

解答 1

球需要 \(2.00\ \text{s}\) 落地,水平方向移动 \(28.0\ \text{m}\),并以 \(24.1\ \text{m s}^{-1}\) 的速率撞击地面,方向为水平线下方 \(54.5^\circ\)。

对垂直运动而言,

\[ u_y=0,\qquad \Delta y=-19.6\ \text{m},\qquad a_y=-9.8\ \text{m s}^{-2}. \]

使用

\[ \Delta y=u_y t-\frac{1}{2}gt^2, \]

可得

\[ -19.6=-4.9t^2. \]

因此,

\[ t=2.00\ \text{s}. \]

这里很容易犯的错误,是在计算下落时间时使用 \(14.0\ \text{m s}^{-1}\) 的水平速率。它在垂直方程中没有任何作用。

现在在水平方向使用相同的 \(2.00\ \text{s}\):

\[ \Delta x=u_x t=(14.0)(2.00)=28.0\ \text{m}. \]

碰撞前一瞬间,

\[ v_x=14.0\ \text{m s}^{-1} \]

以及

\[ v_y=u_y-gt=0-(9.8)(2.00)=-19.6\ \text{m s}^{-1}. \]

因此,

\[ v=\sqrt{(14.0)^2+(-19.6)^2}=24.1\ \text{m s}^{-1}. \]

撞击角为

\[ \phi=\tan^{-1}\left(\frac{19.6}{14.0}\right)=54.5^\circ. \]

因为 \(v_y\) 是负值,所以方向为水平线下方 \(54.5^\circ\)。

问题 2

一个抛体从水平地面以 \(25.0\ \text{m s}^{-1}\) 的速率、水平线上方 \(53.1^\circ\) 的角度发射。一面高 \(19.5\ \text{m}\) 的墙位于距离发射点 \(30.0\ \text{m}\) 处。

取三位有效数字,假设 \(u_x=15.0\ \text{m s}^{-1}\) 且 \(u_y=20.0\ \text{m s}^{-1}\)。

判断:

a. 抛体是否能越过墙,
b. 通过墙时它是在上升还是下降,以及
c. 它最后在哪里回到发射高度。

解答 2

抛体以 \(0.90\ \text{m}\) 的余量越过墙顶,通过墙时仍在非常轻微地上升,并在距离发射点约 \(61.2\ \text{m}\) 处回到发射高度。

首先求它到达墙时的时间:

\[ t=\frac{x}{u_x} =\frac{30.0}{15.0} =2.00\ \text{s}. \]

在此时,

\[ y=u_y t-\frac{1}{2}gt^2. \]

所以

\[ y=(20.0)(2.00)-\frac{1}{2}(9.8)(2.00)^2 =40.0-19.6 =20.4\ \text{m}. \]

墙高 \(19.5\ \text{m}\),因此越过墙顶的高度为

\[ 20.4-19.5=0.90\ \text{m}. \]

现在检查垂直速度:

\[ v_y=u_y-gt =20.0-(9.8)(2.00) =0.40\ \text{m s}^{-1}. \]

它是正值,所以抛体仍然向上运动。

这提醒我们,不应仅凭粗略草图的形状判断运动方向。抛体非常接近最高点,但还没有真正到达。

要找出它何时回到发射高度,令垂直位移为零:

\[ 0=20.0t-4.9t^2. \]

因式分解,

\[ 0=t(20.0-4.9t). \]

解 \(t=0\) 对应发射瞬间。较后的解为

\[ t=\frac{20.0}{4.9}=4.08\ \text{s}. \]

因此水平射程为

\[ R=(15.0)(4.08)=61.2\ \text{m}. \]

一种常见的错误做法,是因为抛体在 \(2.00\ \text{s}\) 后到达墙,而 \(2.00\ \text{s}\) 「大约是」总飞行时间的一半,就假设此时抛体一定在最高点。分量方程给出了精确答案:\(v_y\) 仍然是 \(+0.40\ \text{m s}^{-1}\)。

问题 3

一个山坡可近似为直线

\[ y=0.250x, \]

其中 \(x\) 和 \(y\) 是从发射点量起的距离,单位为米。

一个抛体从原点以 \(24.0\ \text{m s}^{-1}\) 的速率、水平线上方 \(50.0^\circ\) 的角度发射。忽略空气阻力。

求抛体下一次撞上山坡的位置,以及碰撞前一瞬间的速度。

解答 3

抛体大约在 \((45.7\ \text{m},\,11.4\ \text{m})\) 撞上山坡,速率为 \(18.8\ \text{m s}^{-1}\),方向为水平线下方 \(34.7^\circ\)。

分解初速度:

\[ u_x=(24.0)\cos50.0^\circ=15.4\ \text{m s}^{-1}, \]

\[ u_y=(24.0)\sin50.0^\circ=18.4\ \text{m s}^{-1}. \]

在时间 \(t\) 时,

\[ x=15.4t \]

以及

\[ y=18.4t-4.9t^2. \]

碰撞时,抛体必须位于山坡上,因此也必须符合

\[ y=0.250x. \]

代入 \(x=15.4t\),

\[ 18.4t-4.9t^2=0.250(15.4t). \]

因此,

\[ 18.4t-4.9t^2=3.86t. \]

整理后,

\[ t(14.5-4.9t)=0. \]

解 \(t=0\) 对应发射点。下一个交点出现在

\[ t=\frac{14.5}{4.9}\approx2.96\ \text{s}. \]

因此水平座标为

\[ x=(15.4)(2.96)\approx45.7\ \text{m}. \]

该处的山坡高度为

\[ y=0.250(45.7)\approx11.4\ \text{m}. \]

现在求碰撞速度。水平方向,

\[ v_x=15.4\ \text{m s}^{-1}. \]

垂直方向,

\[ v_y=18.4-(9.8)(2.96) \approx-10.7\ \text{m s}^{-1}. \]

因此,

\[ v=\sqrt{(15.4)^2+(-10.7)^2} \approx18.8\ \text{m s}^{-1}. \]

它的方向为

\[ \phi=\tan^{-1}\left(\frac{10.7}{15.4}\right) \approx34.7^\circ \]

低于水平线。

一个很容易采用的捷径,是令 \(y=0\) 来求碰撞时间。但这样求到的是抛体何时回到与发射点相同的水平高度。这里的地面并不是水平的:离开发射点后,地面遵循 \(y=0.250x\)。物理上的边界条件必须符合实际的山坡。

问题 4

一个抛体从地面高度发射,之后通过点 \(A\)。点 \(A\) 位于发射点水平距离 \(20.0\ \text{m}\) 处,并比发射点高 \(15.0\ \text{m}\)。

在下降途中,它通过点 \(B\)。点 \(B\) 位于发射点水平距离 \(50.0\ \text{m}\) 处,同样高 \(15.0\ \text{m}\)。

忽略空气阻力。

求:

a. 初始水平与垂直速度分量,
b. 发射速率与角度,以及
c. 最高点的水平位置与高度。

解答 4

初始分量为 \(u_x=18.1\ \text{m s}^{-1}\) 和 \(u_y=19.0\ \text{m s}^{-1}\)。发射速率为 \(26.2\ \text{m s}^{-1}\),发射角为 \(46.4^\circ\),最高点位于 \(x=35.0\ \text{m}\),即发射点上方 \(18.4\ \text{m}\)。

令抛体通过 \(A\) 和 \(B\) 时的时间分别为 \(t_1\) 和 \(t_2\)。

由于水平速度保持不变,

\[ t_1=\frac{20.0}{u_x}, \qquad t_2=\frac{50.0}{u_x}. \]

在垂直方向,两个点都满足

\[ 15.0=u_y t-\frac{1}{2}gt^2. \]

整理后得到二次方程

\[ \frac{1}{2}gt^2-u_y t+15.0=0. \]

它的两个根是 \(t_1\) 和 \(t_2\)。

对于二次方程 \(at^2+bt+c=0\),两根之积为 \(c/a\)。因此,

\[ t_1t_2=\frac{15.0}{4.9}. \]

但从水平运动可得,

\[ t_1t_2 = \frac{20.0}{u_x}\frac{50.0}{u_x} = \frac{1000}{u_x^2}. \]

因此,

\[ \frac{1000}{u_x^2}=\frac{15.0}{4.9}. \]

所以

\[ u_x^2=\frac{1000(4.9)}{15.0}, \]

得到

\[ u_x=18.1\ \text{m s}^{-1}. \]

相应的时间为

\[ t_1=\frac{20.0}{18.1}=1.11\ \text{s}, \]

\[ t_2=\frac{50.0}{18.1}=2.77\ \text{s}. \]

对同一个二次方程而言,两根之和为

\[ t_1+t_2=\frac{u_y}{4.9}. \]

因此,

\[ u_y=4.9(t_1+t_2) =4.9(1.11+2.77) \approx19.0\ \text{m s}^{-1}. \]

发射速率为

\[ u=\sqrt{u_x^2+u_y^2} =\sqrt{(18.1)^2+(19.0)^2} =26.2\ \text{m s}^{-1}. \]

发射角为

\[ \theta=\tan^{-1}\left(\frac{19.0}{18.1}\right) =46.4^\circ. \]

在最高点,

\[ v_y=0. \]

所以

\[ 0=u_y-gt, \]

得到

\[ t_{\text{apex}}=\frac{19.0}{9.8}=1.94\ \text{s}. \]

因此

\[ x_{\text{apex}}=(18.1)(1.94)=35.0\ \text{m}. \]

到最高点的垂直上升距离可由

\[ v_y^2=u_y^2+2a_y\Delta y. \]

求得。

因此,

\[ 0=(19.0)^2-2(9.8)\Delta y, \]

所以

\[ \Delta y=18.4\ \text{m}. \]

一个很容易出现的错误预测是:因为 \(A\) 和 \(B\) 的高度相同,所以它们对应的时间应该也相同。但这不可能,因为抛体位于两个不同的位置。

真正具有对称性的是它们相对最高点的时间。事实上,

\[ \frac{t_1+t_2}{2} = \frac{1.11+2.77}{2} = 1.94\ \text{s}, \]

正好就是到达最大高度的时间。这也解释了为什么最高点正好位于 \(x=20.0\ \text{m}\) 与 \(x=50.0\ \text{m}\) 的中间:由于 \(v_x\) 保持不变,相等的时间间隔对应相等的水平距离。

问题 5

抛体 \(A\) 在 \(t=0\) 时从 \((0,0)\) 发射,其初速度分量为

\[ u_{Ax}=18.0\ \text{m s}^{-1}, \qquad u_{Ay}=22.0\ \text{m s}^{-1}. \]

抛体 \(B\) 最初位于 \((54.0\ \text{m},12.0\ \text{m})\)。它的发射速度分量为

\[ u_{Bx}=-9.00\ \text{m s}^{-1}, \qquad u_{By}=16.0\ \text{m s}^{-1}. \]

两个抛体受到相同的重力加速度,且空气阻力可忽略。

a. 如果它们同时发射,判断它们是否会在任一抛体落地前相撞。如果会,求碰撞位置。

b. 现在抛体 \(B\) 在 \(A\) 发射后 \(0.500\ \text{s}\) 才发射,而速度与之前相同。一名学生认为,这个延迟不会造成任何差别,因为重力给两个抛体相同的加速度。检验这个说法,求它们到达相同水平位置时的垂直间距。

c. 保持 \(0.500\ \text{s}\) 的延迟以及 \(u_{Bx}=-9.00\ \text{m s}^{-1}\),求要使两者真正碰撞所需的 \(u_{By}\)。

解答 5

如果同时发射,两个抛体会在 \(t=2.00\ \text{s}\) 时于 \((36.0\ \text{m},24.4\ \text{m})\) 相撞。如果抛体 \(B\) 延迟 \(0.500\ \text{s}\) 发射,当两者水平位置相同时,\(B\) 会从 \(A\) 上方 \(0.392\ \text{m}\) 处通过。把 \(B\) 的垂直发射分量降低到约 \(15.8\ \text{m s}^{-1}\),就能恢复碰撞。

对 a 部分,先写出水平位置。

对 \(A\),

\[ x_A=18.0t. \]

对 \(B\),

\[ x_B=54.0-9.00t. \]

碰撞时,

\[ x_A=x_B. \]

因此,

\[ 18.0t=54.0-9.00t, \]

所以

\[ 27.0t=54.0 \]

并且

\[ t=2.00\ \text{s}. \]

现在检查同一时间下的垂直位置。

对 \(A\),

\[ y_A=22.0t-4.9t^2. \]

因此,

\[ y_A=(22.0)(2.00)-4.9(2.00)^2 =44.0-19.6 =24.4\ \text{m}. \]

对 \(B\),

\[ y_B=12.0+16.0t-4.9t^2. \]

所以

\[ y_B=12.0+(16.0)(2.00)-4.9(2.00)^2 =24.4\ \text{m}. \]

它们的水平座标与垂直座标在同一时间完全相同,因此它们会在

\[ (36.0\ \text{m},24.4\ \text{m}). \]

相撞。

这个结果中隐藏的抵消关系非常重要。由于两个物体具有相同的重力加速度,只要两者都在飞行,它们的相对加速度就是零。重力使两者的垂直速度改变相同的量。

对 b 部分,抛体 \(B\) 现在晚 \(0.500\ \text{s}\) 才开始运动。

仍令 \(t\) 表示自 \(A\) 发射后经过的时间。那么 \(B\) 实际已经运动的时间为

\[ t_B=t-0.500. \]

对 \(A\),

\[ x_A=18.0t. \]

对 \(B\),

\[ x_B=54.0-9.00(t-0.500). \]

令两者相等:

\[ 18.0t = 54.0-9.00(t-0.500). \]

展开,

\[ 18.0t=58.5-9.00t. \]

因此,

\[ 27.0t=58.5 \]

并且

\[ t=2.167\ \text{s}. \]

在这一瞬间,\(B\) 已经运动了

\[ t_B=2.167-0.500=1.667\ \text{s}. \]

抛体 \(A\) 的高度为

\[ y_A = (22.0)(2.167)-4.9(2.167)^2 = 24.664\ \text{m}. \]

抛体 \(B\) 的高度为

\[ y_B = 12.0+(16.0)(1.667)-4.9(1.667)^2 = 25.056\ \text{m}. \]

因此,

\[ y_B-y_A = 25.056-24.664 = 0.392\ \text{m}. \]

所以 \(B\) 会从 \(A\) 上方约 \(0.392\ \text{m}\) 处通过。两者不会相撞。

这名学生的推理包含一个细微但真实的部分,却把它用错了。\(B\) 一旦发射后,两个抛体确实具有相同的重力加速度,因此它们的相对加速度为零。

但在最初的 \(0.500\ \text{s}\) 期间,只有 \(A\) 正在进行抛体运动。等到 \(B\) 开始运动时,\(A\) 的位置和垂直速度早已改变。从那一刻开始具有相同加速度,并不能消除两者不同的初始状态。

对 c 部分,水平相遇时间保持不变,因为我们只调整 \(B\) 的垂直发射分量。因此,

\[ t=2.167\ \text{s}, \qquad t_B=1.667\ \text{s}. \]

若要发生碰撞,\(B\) 的高度必须等于 \(A\) 的高度,而我们已求得该高度为 \(24.664\ \text{m}\)。

令 \(B\) 所需的垂直发射分量为 \(u_{By}\)。则

\[ 24.664 = 12.0+u_{By}(1.667)-4.9(1.667)^2. \]

整理后,

\[ u_{By} = \frac{24.664-12.0+4.9(1.667)^2}{1.667}. \]

因此,

\[ u_{By}=15.8\ \text{m s}^{-1} \]

取三位有效数字。

令人意外的是,\(B\) 所需要的垂直分量比原本稍小,而不是更大。当 \(u_{By}=16.0\ \text{m s}^{-1}\) 时,在两个抛体到达相同水平位置的一刻,\(B\) 已经太高了。

这正是分量分析最核心的原则:只让一个座标相符并不足够。碰撞、撞击或任何其他二维事件,都必须在同一瞬间同时满足水平方向的条件与垂直方向的条件。

一旦掌握这个概念,下一个有用的步骤,就是把相同的分量方法应用到相对运动、抛体轨迹,以及著陆表面本身正在移动或倾斜的情况。