高一物理相遇和追及问题(含详解)

第1页共12页相遇和追及问题【要点梳理】要点一、机动车的行驶安全问题：1、反应时间：人从发现情况到采取相应措施经过的时间为反应时间。2、反应距离：在反应时间内机动车仍然以原来的速度v匀速行驶的距离。3、刹车距离：从刹车开始，到机动车完全停下来，做匀减速运动所通过的距离。4、停车距离与安全距离：反应距离和刹车距离之和为停车距离。停车距离的长短由反应距离和刹车距离共同决定。安全距离大于一定情况下的停车距离。要点二、追及与相遇问题的概述1、追及问题的两类情况(1)速度小者追速度大者(2)速度大者追速度小者说明:①表中的Δx是开始追及以后,后面物体因速度大而比前面物体多运动的位移；②x0是开始追及以前两物体之间的距离；③t2-t0=t0-t1；④v1是前面物体的速度,v2是后面物体的速度.第2页共12页特点归类：(1)若后者能追上前者，则追上时，两者处于同一位置，后者的速度一定不小于前者的速度．(2)若后者追不上前者，则当后者的速度与前者相等时，两者相距最近．2、相遇问题的常见情况(1)同向运动的两物体的相遇问题,即追及问题.(2)相向运动的物体,当各自移动的位移大小之和等于开始时两物体的距离时相遇.解此类问题首先应注意先画示意图,标明数值及物理量;然后注意当被追赶的物体做匀减速运动时,还要注意该物体是否停止运动了.【典型例题】类型一、机动车的行驶安全问题例1、为了安全，在高速公路上行驶的汽车之间应保持必要的距离。已知某高速公路的最高限速为v=120km/h。假设前方车辆突然停止运动，后面汽车的司机从眼睛发现这一情况，经过大脑反应，指挥手、脚操纵汽车刹车，到汽车真正开始减速，所经历的时间需要0.50s（即反应时间），刹车时汽车所受阻力是车重的0.40倍，为了避免发生追尾事故，在该高速公路上行驶的汽车之间至少应保留多大的距离？【答案】156m【解析】v120km/h33.3m/s匀减速过程的加速度大小为2akmg/m4m/s。匀速阶段的位移11svt16.7m,减速阶段的位移22sv/2a139m，所以两车至少相距12sss156m。【点评】刹车问题实际上是匀变速直线运动的有关规律在减速情况下的具体应用，要解决此类问题，首先要搞清楚在反应时间里汽车仍然做匀速直线；其次也要清楚汽车做减速运动，加速度为负值；最后要注意单位统一。举一反三【变式】酒后驾车严重威胁交通安全．其主要原因是饮酒会使人的反应时间(从发现情况到实施操作制动的时间)变长，造成制动距离(从发现情况到汽车停止的距离)变长，假定汽车以108km/h的速度匀速行驶，刹车时汽车的加速度大小为8m/s2，正常人的反应时间为0.5s，饮酒人的反应时间为1.5s，试问：(1)驾驶员饮酒后的反制距离比正常时多几米？(2)饮酒的驾驶员从发现情况到汽车停止需多少时间？【答案】(1)30m(2)5.25s【解析】(1)汽车匀速行驶v＝108km/h＝30m/s正常情况下刹车与饮酒后刹车，从刹车到车停止这段时间的运动是一样的，设饮酒后的刹车距离比正常时多Δs，反应时间分别为120.5s1.5stt＝、＝则21()svtt＝－代入数据得30ms＝(2)饮酒的驾驶员从实施操作制动到汽车停止所用时间3(0)/tva＝－解得33.75st＝所以饮酒的驾驶员从发现情况到汽车停止所需时间23ttt＝＋解得5.25st＝第3页共12页类型二、追及问题一：速度小者追赶同向速度大者例2、一辆汽车在十字路口等候绿灯，当绿灯亮时汽车以3m/s2的加速度开始加速行驶，恰在这时一辆自行车以6m/s的速度匀速驶来，从后边超过汽车。试求：（1）汽车从路口开动后，在追上自行车之前经过多长时间两车相距最远？此时距离是多少？【答案】2s6m【解析】：方法一：临界状态法汽车在追击自行车的过程中，由于汽车的速度小于自行车的速度，汽车与自行车之间的距离越来越大；当汽车的速度大于自行车的速度以后，汽车与自行车之间的距离便开始缩小。很显然，当汽车的速度与自行车的速度相等时，两车之间的距离最大。设经时间t两车之间的距离最大。则vtva汽自∴v6ts2s3a自22m11xxxvtat62m32m6m22自汽自方法二：图象法在同一个v-t图象中画出自行车和汽车的速度-时间图线，如图所示。其中Ⅰ表示自行车的速度图线，Ⅱ表示汽车的速度图线，自行车的位移x自等于图线Ⅰ与时间轴围成的矩形的面积，而汽车的位移x汽则等于图线Ⅱ与时间轴围成的三角形的面积。两车之间的距离则等于图中矩形的面积与三角形面积的差，不难看出，当t=t0时矩形与三角形的面积之差最大。此时0tvva汽自，06ts2s3va自，011t26m6m22mSv自方法三：二次函数极值法设经过时间t汽车和自行车之间的距离x，则222133at6t(2)6222xxxvttt自汽自当2st时两车之间的距离有最大值xm，且6m.mx【点评】(1)在解决追及相遇类问题时，要紧抓“一图三式”，即：过程示意图，时间关系式、速度关系式和位移关系式，另外还要注意最后对解的讨论分析．(2)分析追及、相遇类问题时，要注意抓住题目中的关键字眼，充分挖掘题目中的隐含条件，如“刚好”、“恰好”、“最多”、“至少”等，往往对应一个临界状态，满足相应的临界条件．(3)解题思路和方法第4页共12页举一反三【变式1】小轿车在十字路口等绿灯亮后，以1m/s2的加速度启动，恰在此时，一辆大卡车以7m/s的速度从旁超过，做同向匀速运动，问（1）小轿车追上大卡车时已通过多少路程？（2）两车间的距离最大时为多少？【答案】98m24.5m【变式2】甲、乙两车同时从同一地点出发，向同一方向运动，其中甲以10m/s的速度匀速行驶，乙以2m/s2的加速度由静止启动，求：(1)经多长时间乙车追上甲车？此时甲、乙两车速度有何关系？(2)追上前经多长时间两者相距最远？此时二者的速度有何关系？【答案】(1)10s2倍(2)5s相等【解析】(1)乙车追上甲车时，二者位移相同，设甲车位移为x1，乙车位移为x2，则x1＝x2，即21111a2vtt＝，解得12110s20m/stvat＝，＝＝，因此212vv＝.(2)设追上前二者之间的距离为x，则21212221Δ   102xxxvtattt＝－＝－＝－由数学知识知：当210s521ts＝时，两者相距最远，此时21vv＝.类型三、追及问题二：速度大者减速追赶同向速度小者例3、火车以速度1v匀速行驶，司机发现前方同轨道上相距S处有另一列火车沿同方向以速度2v（对地、且12vv）做匀速运动，司机立即以加速度a紧急刹车，要使两车不相撞，a应满足什么条件？【答案】221()2vvas【解析】方法一：设两车恰好相撞(或不相撞)，所用时间为t，此时两车速度相等2121212vtatvtsvatv解之可得：221()2vvas即，当221()2vvas时，两车不会相撞。方法二：要使两车不相撞，其位移关系应为：21212vtatvts对任一时间t，不等式都成立的条件为221=2as0vv（）由此得221()2vvas第5页共12页【点评】分析解决两物体的追及、相遇类问题，应首先在理解题意的基础上，认清两物体在位移、速度、时间等方面的关联，必要时须画出运动关联的示意图。这类问题的特殊之处是常与极值条件或临界条件相联系。分析解决这类问题的方法有多种，无论哪一种方法，分析临界条件、解决相关的临界条件方程或用数学方法找出相关的临界值，是解决这类问题的关键和突破口。举一反三【变式1】汽车正以10m/s的速度在平直公路上前进，突然发现正前方s处有一辆自行车以4m/s的速度做同方向的匀速直线运动，汽车立即关闭油门做匀减速运动，加速度大小为6m/s2，若汽车恰好不碰上自行车，则s大小为多少？【答案】3m【变式2】甲､乙两辆汽车在平直的公路上沿同一方向做直线运动,t=0时刻同时经过公路旁的同一个路标.在描述两车运动的v-t图中(如图),直线a､b分别描述了甲､乙两车在0~20s的运动情况.关于两车之间的位置关系,下列说法正确的是()A.在0~10s内两车逐渐靠近B.在10~20s内两车逐渐远离C.在5~15s内两车的位移相等D.在t=10s时两车在公路上相遇【答案】C【解析】由题图知乙做匀减速运动,初速度v乙=10m/s,加速度大小a乙=0.5m/s2;甲做匀速直线运动,速度v甲=5m/s.当t=10s时v甲=v乙,甲､乙两车距离最大,所以0~10s内两车越来越远,10~15s内两车距离越来越小,t=20s时,两车距离为零,再次相遇.故A､B､D错误.因5~15s时间内v甲=v乙,所以两车位移相等,故C正确.类型四、相遇问题例4、在某市区内，一辆小汽车在公路上以速度Av向东行驶，一位观光游客正由南向北从斑马线上横过马路。汽车司机发现游客途经D处时，经过0.7s作出反应紧急刹车，但仍将正步行至B处的游客撞伤，该汽车最终在C处停下，如图所示。为了判断汽车司机是否超速行驶以及游客横穿马路的速度是否过快，警方派一车胎磨损情况与肇事汽车相当的警车以法定最高速度m14.0m/sv＝行驶在同一马路的同一地段，在肇事汽车的起始制动点A紧急刹车，经14.0ｍ后停下来。在事故现场测得AB＝17.5ｍ，BC＝14.0ｍ，BD＝2.6ｍ．肇事汽车的刹车性能良好，问：（1）该肇事汽车的初速度Av是多大?（2）游客横过马路的速度是多大?【答案】21m/s1.53m/s第6页共12页【解析】（1）警车和肇事汽车刹车后均做匀减速运动，其加速度大小gmmga，与车子的质量无关，可将警车和肇事汽车做匀减速运动的加速度a的大小视作相等。对警车，有asvm22；对肇事汽车，有savA22，则ssvvAm22，即0.145.170.1422BCABsvvAm，故mAvv0.140.145.17＝21ｍ/ｓ。（2）对肇事汽车，由sasv220得0.140.145.1722BCBCABvvBA，故肇事汽车至出事点B的速度为ABvv0.145.170.14＝14.0ｍ/ｓ。肇事汽车从刹车点到出事点的时间)(211BAvvABt＝1ｓ，又司机的反应时间t0＝0.7ｓ，故游客横过马路的速度17.06.210ttBDvm/s≈1.53ｍ/ｓ。【点评】研究物体的运动，首先要分析清楚物体的运动过程。特别是当物体有多个运动阶段时，必须明确问题所研究的是运动的哪一个阶段。当问题涉及多个物体的运动时，应先分别独立研究各个物体的运动，然后找出它们之间的联系。举一反三【变式1】羚羊从静止开始奔跑，经过50m的距离能加速到最大速度25m/s，并能维持一段较长的时间。猎豹从静止开始奔跑，经过60m的距离能加速到最大速度30m/s，以后只能维持这速度4.0s。设猎豹距离羚羊x时开始攻击，羚羊则在猎豹开始攻击后1.0s才开始奔跑，假定羚羊和猎豹在加速阶段做匀加速运动，且均沿同一直线奔跑，求：（1）猎豹要在从最大速度减速前追到羚羊，x值应在什么范围？（2）猎豹要在其加速阶段追到羚羊，x值应在什么范围？【答案】(1）31.875m≤x≤55m（2）x≤31.875m【变式2】一辆值勤的警车停在公路边，当警员发现从他旁边以10m/s的速度匀速行驶的货车严重超载时，决定前去追赶，经过5.5s后警车发动起来，并以2.5m/s2的加速度做匀加速运动，但警车的行驶速度必须控制在90km/h以内．问：(1)警车在追赶货车的过程中，两车间的最大距离是多少？(2)警车发动后要多长时间才能追上货车？【答案】(1)75m(2)12s第7页共12页【变式3】甲乙两车在一平直道路上同向运动,其v-t图象如图所示,图中△OPQ和△OQT的面积分别为s1和s2(s2s1).初始时,甲车在乙车前方s0处()A.若s0=s1+s2,两车不会相遇B.若s0s1,两车相遇2次C.若s0=s1,两车相遇1次D.若s0=