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在堤岸上拉動小船

 cosmos2062 2022-10-12 發(fā)布于廣東

當加速度的方向與速度的方向相同時,物體做加速運動。

一條小船停泊在湖岸對開的湖面上,用一根繩子與堤岸上的絞車相連,船夫通過絞車以均勻速率收繩子,將小船拉向岸邊。請推導小船的速度和加速度的表達式。
在這個問題中,小船顯然沿著直軌道運動,因此,以鉸車在水面上的投影點做原點,原點與小船的連線為坐標軸,從原點指向小船的方向為坐標軸的正向。由于坐標系簡單而明顯,我沒有完整地畫出坐標系的示意圖,請大家根據(jù)提示補充。假設船夫收繩子的速率為 ,繩子在任意時刻的長度為 。在坐標系的這種選擇下,小船在任意時刻 的坐標為

在這個表達式中,我們沒有看到坐標明顯地依賴于時間,而是通過繩子的長度的改變與時間相關聯(lián)。在收繩子的過程中,繩子的長度 隨時間發(fā)生改變。把小船的位置坐標對時間求一階導數(shù)得到小船的運動速度

在求導數(shù)的過程中,我們利用了收繩子時繩子的長度越來越短這個事實,它給出 。最終得到的速度為負值,表示小船是朝坐標軸的反方向運動的,也就是朝向岸邊運動。對速度求一階時間導數(shù):

結果發(fā)現(xiàn),加速度為負值,顯示加速度的方向與速度的方向一致,因此,小船朝岸邊做加速運動。

這個問題也可以選擇小船停泊的位置做原點,原點與鉸車在水面上的投影點的連線為坐標軸,指向岸邊為正方向。請大家根據(jù)提示補充畫出坐標系的示意圖。在坐標系的這種選擇下,假設當小船停泊在湖面上時離開岸邊的距離為 ,則小船在任意時刻 的坐標為

由此得到的速度和加速度都是正值,加速度的方向與速度的方向一致,小船朝岸邊做加速運動。請大家用坐標系的這種選擇方式重新解決這個問題。

當物體沿直軌道運動時,直觀感覺告訴我們,加速度為正值時,物體做加速運動。然而,上述問題的求解結果告訴我們,這種直觀感覺并不正確,加速度是正值還是負值,與坐標系的選擇有關,與物體是在做加速運動還是在做減速運動沒有必然的聯(lián)系。當物體做加速運動時,加速度的符號與速度的符號相同,如果物體做減速運動,這兩個物理量的符號則相反。把這個結論拓展到三維運動的情況,一個物理量的數(shù)值前面的正號或者負號要用矢量的方向代替,在這種情況下,剛才的結論就不言而喻了:當加速度的方向與速度的方向相同時,物體做加速運動。其實,在一維運動的情況下,一個物理量是正值還是負值就代表了該物理量的方向。
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