巧用知识迁移和数形结合解决物理新问题

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  同学们在高中学习了力的平行四边形定则,便开始接触矢量运算,但对矢量运算表达式中的方向,大家总是不好理解,很难摆脱以前的代数运算思维方式,更不用说运用矢量去解决后来遇到的速度、加速度、动量等新问题。在处理这类矢量运算问题时,应深入理解平行四边形定则,把矢量式及其变形公式和矢量图形结合起来,搞清公式中的符号与矢量图形中的线段位置对应关系。
  平行四边形定则:求两个互成角度的力F1、F2的合力F,根据平行四边形定则,我们可以写成F=F1+F2,其中F是以F1、F2为边的平行四边形的对角线。如图1所示。
  
  其变形式为F1=F-F2,同样F2=F-F1。应特别注意F1、F2、F在图中所在的位置和箭头方向,对矢量问题应注意矢量的大小和方向。除此之外,还应注意在矢量图中的矢量平移和矢量不变。因此上述平行四边形又可以转换成三角形定则,如图2所示。
  
  利用上述知识可以轻松解决有关速度、加速度、动量等新的矢量运算。现举两例:
  例1 如图3所示,一质点在xOy平面内,做匀变速运动。t1=1 s时刻,速度v1=5 m/s,方向与x轴正方向成53°角,t1=2 s时刻,速度v1=3 m/s,方向与x轴正方向相同。求:质点运动过程中的加速度大小和方向。
  
  解析 根据加速度的定义式,a=v1-vo/t是矢量式,速度改变量vt-v0也是矢量,加速度a与vt-v0的方向相同,质点在t2-t1时间内速度的变化量为Δv=v2-v1,即2=v1+Δv,v2是v1和Δv两个矢量的和,根据平行四边形定则,其速度矢量四边形如图4所示。应用三角知识中的余弦定理,
  
  例2 如图5所示,一个质量是0.2 kg的钢球,以2 m/s的速度斜射到坚硬的大理石板上,入射的角度是45°,碰撞后被斜着弹开,弹出的角度也是45°,速度仍为2 m/s,求:钢球动量变化的大小和方向。
  分析 遇到这类问题,我们可以先回忆平行四边形定则,把已有知识迁移过来。动量是矢量,则动量变化Δp=pt-p也是矢量。当动量p和末动量pt不在同一直线上时,求Δp,应按矢量运算法则(平行四边形法则)结合图形进行运算。
  
  解 动量变化Δp=pt-p,可变形写成pt=Δp+p,即矢量pt可看成Δp和p的矢量和,也就是说,pt是以Δp和p为邻边的平行四边形的对角线,如图6所示。由于pt和p相互垂直且等大,所以,Δp方向竖直向上,
  
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