高中物理详解:描述物体运动时使用坐标系的好处

科学的故事 2024-11-08 10:49:38

不少高中生,在解关于运动的题目时,总是直接套用运动学中的公式,从来不画出坐标系——他们一直不知道有这个必要。

确实,对于一些简单的问题,不需要画出坐标系,直接套公式就可以算出结果。

比如下面这个题目:

不需要建立坐标系,直接套公式就可以算出答案,像这样:

由于在解这种简单题目时,不需要建立坐标系,另外,题目中通常不会给出坐标系,所以,不少学生在解决复杂题目时,不知道需要自己建立坐标系(建立坐标系的方式并不是唯一的。)

这篇文章就是想让大家认识到,建立坐标系到底有什么好处。

为了看出用坐标系描述运动的好处,先不用考虑匀变速直线运动,而考虑更简单、高一学生更熟悉的匀速直线运动。

比如,某人沿直线运动,速度为2m/s(看成匀速直线运动),他在30s内走过的距离是多少?

这种题小学做过,初中做过,做的时候不需要使用坐标系。2×30=60,答案是60m。

如果用坐标系,这个题怎样做?

以这个人的运动路线为x轴,以正西方向为正方向,假设t=0s时,这人位于x=0m处。那么,在t时刻,这个人所在位置的x坐标(位置坐标)由下式给出:

这位置与原点(这人在t=0s时的位置)之间的距离为60m,这就是这人在30s内走过的距离。

是不是自找麻烦,多此一举?

没错。如果只是处理这么简单的问题,用坐标系确实是多此一举。

可是,再来看下一个问题:

问题:甲乙相距100m,二人同时出发,相向而行,甲的速度为2m/s,乙的速度为3m/s,问:经过25s后,二人之间的距离为多少?此时谁更靠近乙的出发点?

当然,仍然可以不使用坐标系来做这道题。不过这次有点难度了,对吧?不过,让我们来看,如果使用坐标系,这道题怎么做。

首先建立坐标系。以甲乙连线所在的直线为x轴,以从甲到乙的方向为正方向,以甲的出发点为原点,那么,乙的出发点位于x=100m处。设t=0s时,二人出发(即从二人出发时开始计时),那么,二人的坐标位置随时间变化,在t时刻(t可以取任何值),二人的位置坐标由下二式给出(我相信你能看出来,所以不多解释):

用乙的位置坐标减去甲的位置坐标,就得到乙相对于甲的位置:

当t=25s时,

这表示什么呢?这表示乙相对于甲在负方向25m处,所以这时二人之间的距离为25m,由于我们选的正反向是从甲的出发点指向乙的出发点,所以这时甲更靠近乙的出发点。

你能看出使用坐标系的好处吗?使用坐标系以后,这个问题变成傻瓜式的了——只要你学会怎样翻译。

如果这个例子还是不能让你信服,没关系,我以后还会有许多机会使你信服。

你总有一天会深切感受到:坐标系真是太棒了!

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