小船渡河公式是怎样推导的

今天在文科班复习到运动的合成与分解,看到小船渡河的习题,自然就以它为例子讲解合成与分解知识,也顺便把小船渡河问题复习一遍。

首先已知水流速度与船在静水中的速度,自然地,这两种运动都参与了小船的实际运动,是它的分运动。根据运动的合成与分解,就可以求解出实际渡河的速度大小与方向。我问渡河时间呢?虽然题目没有要求回答。文科班的学生不能一下子回答出来,往往还想着从实际位移上求出来。这时我提醒大家,运动具有等时性,即分运动与合运动的时间总是相等的,那么我们可以根据分运动的时间求出渡河的实际时间。那就是分运动的位移除以分运动的速度即船在静水中的速度,从而求出结果。

那么怎样渡河时间最短呢?最短时间又是多少?实话说,我没有立刻理出来,不是说不懂,而是又要去分析,没有快速分析或者分门别类地理解记忆知识。我明白,很多知识不仅要当时会,而且还要过很长时间都要会,就算不会,也要懂得快速推导的方法,这才是能力!

关于这个问题,首先要明确分运动是水速与船在静水中的速度,而求时间通常是根据后者来求的,因为河宽往往是知道的。那怎么计算呢?要用一般的式子推导出来、要有说服力,比如假设船在静水中划行方向是任意的,除了90度,当然其速度大小是一定的,不然渡河时间就不恒定。根据运动的等时性,此时分运动的位移一定大于河宽,且根据位移除以船速,则时间不是最小的。只有当船垂直于河岸的方向划行时,即船头指向对岸时,时间才是最短的,它就是河宽除以船在静水中的速度。此时记住的结论是,垂直航行,时间最短。

除此之外,还有一个最短位移问题,就是渡河的实际位移最短问题,很明显是河宽。那怎样才能保证实际位移是河宽呢?是不是总是能保证船的实际位移是河宽呢?如果不是,最短位移需要什么条件?很明显地,如果水速大于船在静水中的速度,那么不管船沿哪个方向航行,合速度也是向着水流方向的。也就是说,小船都不可能到达正对岸,小船的位移都不是最小的河宽。

只有当船在静水中的速度大于水速时,等于都不行,小船要不会向下方游去、要不就会待在原处不动。此时如果船沿上游的某个方向渡河,就会出现渡河位移最短。那么此过程的时间怎么算呢?当然是比上述讲的最短时间长了,因为沿船在静水中速度方向的分位移比河宽大,或者也可以用实际时间来求,因为实际位移就是河宽,只要除以合运动的速度就可以,当然此过程的合速度是小于船在静水中速度的。不管哪种方法,都可以求出渡河时间。

如果船在静水中的速度小于水速,虽然船不能到达正对岸,而是往下游航行,但此过程有最短位移吗?最短位移怎么求呢?

我在做这个图时,总不能得出恰当的结果,原因是我把船在静水中的速度矢量画在水速矢量的始端,只是构成平行四边形,根本看不到合位移的方向;而如果将船在静水的速度矢量放在水速矢量的末端,相当于平移其速度,就会看到矢量三角形,合位移什么时候最小就一目了然了。就是船头指向与合位移方向垂直时,此时的位移最短,船头的指向与上游河岸夹角的余弦等于船速除以水速;航行的位移等于河宽除以夹角的余弦,或下图所示;渡河的时间也很容易计算出来,如下图所示。

纵观所述,知识是需要不断的琢磨才能精通,也才能无论如何变化,都可以胸有成竹地解答出来!

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