巧用“肉夾饃”突破曲線運(yùn)動(dòng)

張通禮

一、巧用“肉夾饃”確定物體的曲線運(yùn)動(dòng)情況

曲線運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度可以確定物體加速度與速度、軌跡之間的關(guān)系，也可以從動(dòng)力學(xué)的角度確定合外力F與速度、軌跡之間的關(guān)系.

所謂“肉夾饃”就是指加速度（或合外力）與速度這兩個(gè)外面的“饃”把軌跡夾在中間，軌跡就是其中香噴噴的“肉餡”.物體的軌跡僅與物體的速度和加速度的大小、方向有關(guān)，由“饃”決定.物體做曲線運(yùn)動(dòng)的軌跡總夾在a與v兩方向的夾角中，且向加速度（或合外力）一側(cè)彎曲.物體做曲線運(yùn)動(dòng)的軌跡有以下三種情況：物體的加速度a與速度v之間的夾角為銳角、直角或鈍角，物體分別做加速、勻速、減速曲線運(yùn)動(dòng)，如圖1所示.

例1 一個(gè)物體沿y軸下落，下落到O點(diǎn)時(shí)突然受到沿x軸正方向、跟重力大小相等的恒定的水平風(fēng)力作用，以下四幅圖中最有可能正確反映物體的運(yùn)動(dòng)軌跡的是 （ ?）

解析 物體落到O點(diǎn)時(shí)，其速度方向（軌跡的切線方向）為豎直向下，而重力和風(fēng)力的合力與x軸成45°角斜向下，所以物體做曲線運(yùn)動(dòng)且軌跡“肉餡”始終夾在合力與該時(shí)刻速度方向這兩個(gè)“饃”之間，且向合力方向彎曲，而B選項(xiàng)中后半部分并沒滿足“肉夾饃”模型，所以只有C對(duì).

例2 有A、B兩小球，B的質(zhì)量為A的兩倍.現(xiàn)將它們以相同速率沿同一方向拋出，不計(jì)空氣阻力.圖2中①為A的運(yùn)動(dòng)軌跡，則B的運(yùn)動(dòng)軌跡是?（ ?）

A. ①

B.②

C.③

D.④

解析 由題意知A、B兩小球拋出的初速度相同，由牛頓第二定律知，兩小球運(yùn)動(dòng)的加速度相同，小球的運(yùn)動(dòng)軌跡這個(gè)肉餡是由速度及加速度大小及方向的“饃”決定，所以運(yùn)動(dòng)的軌跡完全相同，故A正確.

二、巧用“肉夾饃”處理平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)問題

平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)是典型的曲線運(yùn)動(dòng)，拋物線及圓周的軌跡與速度、加速度的方向的關(guān)系均屬于“肉夾饃”模型的實(shí)例.處理這兩種運(yùn)動(dòng)的核心是加深對(duì)兩邊“饃”（速度與加速度或合力）的理解，即將速度這個(gè)“饃”沿合力方向和垂直合力方向兩個(gè)方向分開.力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，所以在垂直力方向上的分速度將保持不變.

1.平拋運(yùn)動(dòng)的處理

解決平拋問題，首先大致畫出拋物線這個(gè)“餡”，其次畫出合速度的方向（切線）、重力的方向這兩個(gè)“饃”，最后分解掰開速度這個(gè)“饃”.許多學(xué)生沒有養(yǎng)成畫“餡”和“饃”的習(xí)慣，沒有使抽象的問題具體形象化，導(dǎo)致不能深入理解平拋的規(guī)律.

例3 如圖4，圓弧形凹槽固定在水平地面上，其中ABC是位于豎直平面內(nèi)以O(shè)為圓心的一段圓弧，OA與豎直方向的夾角為α.一小球以速度v0從桌面邊緣P水平拋出，恰好從4點(diǎn)沿圓弧的切線方向進(jìn)入凹槽.小球從P到4的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為______.

2.勻速圓周運(yùn)動(dòng)的處理

勻速圓周運(yùn)動(dòng)是變速曲線運(yùn)動(dòng)，必須先定同心，畫出向心加速度的方向即確定兩“饃”的方向（兩“饃”的方向彼此垂直）.然后受力分析，以兩“饃”的方向建立坐標(biāo)系進(jìn)行正交分解，用牛頓第二定律列方程.

例4 如圖5所示為賽車場(chǎng)的一個(gè)水平“梨形”賽道，兩個(gè)彎道分別為半徑R=90 m的大圓弧和r=40 m的小圓弧，直道與彎道相切.大、小圓弧圓心O、O'距離L=100 m.賽車沿彎道路線行駛時(shí)，路面對(duì)輪胎的最大徑向靜摩擦力是賽車重力的2. 25倍.假設(shè)賽車在直道上做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，在彎道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng).要使賽車不打滑，繞賽道一圈時(shí)間最短（發(fā)動(dòng)機(jī)功率足夠大，重力加速度g取10 m/s²，π=3.14），則賽車?（ ?）

A.在繞過小圓弧彎道后加速

B.在大圓弧彎道上的速率為45 m/s

C.在直道上的加速度大小為5. 63 m/s²

D.通過小圓弧彎道的時(shí)間為5. 58 s