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第二章 直线运动
第3节 匀变速直线运动的位移与时间的关系
第4节 匀变速直线运动的位移与速度的关系
当你乘坐出租车时,细心观察可以发现,有经验的司机在看到红色信号灯后,未必就立即刹车减速,他们总是要根据停止线的距离迅速估测一下时间,然后采取相应措施,这样开车就是所谓的经济省油了……那么,位移和时间究竟存在什么样的关系呢?并且我们知道,出租车行驶的速度越大,刹车的距离(位移)越大,初速度和刹车位移之间又有什么关系呢?
为了更精确地描述物体的运动,寻找物体的运动特点,本节将研究匀变速直线运动的位移与时间的关系.在推导位移公式的过程中,本节引入了微分思想,正是这种思想引导着我们的祖先发现了很多物理规律.
要点一、匀速直线运动的位移
1.匀速直线运动的位移公式
x=vt
注意:取运动的初始时刻(t=0时)物体的位置为坐标原点,这样,物体在时刻t的位移等于这时的坐标x,从开始到t时刻的时间间隔为t.
2.匀速直线运动的x-t图象
若取t=0时,x=0,则x-t图象为过原点的一条倾斜的直线,如图2-3、4-1所示.
图2-3、4-1 图2-3、4-2
若在t=0时,x=x0,则x-t图象为一条纵轴截距为x0的倾斜的直线,如图2-3、4-2所示,x-t图象的斜率表示物体运动的速度,v=.
3.匀速直线运动的v-t图象
图2-3、4-3
匀速直线运动的速度v不随时间变化,其v-t图象为一条平行于时间轴的直线,如图2-3、4-3所示.
(1)v-t图象的斜率表示加速度a,在匀速直线运动中,a==0.
(2)v-t图象与时间t轴间的面积在数值上等于物体做匀速直线运动在这段时间内的位移.
(3)v-t图象的纵截距表示速度的大小.
要点二、匀变速直线运动的位移.
1.匀变速直线运动的位移公式
x=v0t+at2
2.推导过程
如图2-3、4-4所示,为匀变速直线运动的v-t图象,在时间t内的位移x在数值上等于图线与时间t轴所围面积.
图2-3、4-4
v-t图象中直线下面的梯形OABC的面积
S=(OC+AB)·OA
把面积以及各条线段换成所代表的物理量,
得x=(v0+v)t
由速度公式v=v0+at代入上式得
x=v0t+at2
3.对位移公式x=v0t+at2的理解
(1)位移公式说明匀变速直线运动的位移与时间是二次函数关系,式中v0是初速度,时间t是物体实际运动的时间.
(2)此公式既适用于匀加速直线运动,也适用于匀减速直线运动.在取初速度v0方向为正方向的前提下,匀加速直线运动a取正值,匀减速直线运动a取负值;计算结果x>0,说明位移的方向与初速度v0方向相同;x<0,说明位移方向与初速度v0方向相反.
(3)对于初速度为零的匀加速直线运动,位移公式为x=at2,即位移x与时间t的二次方成正比.
(4)v-t图象与时间轴围成的面积表示位移的大小,且时间轴上方的面积表示位移为正方向,时间轴下方的面积表示位移为负方向.
(5)此公式中共有四个物理量,知道其中任意三个物理量,便可确定第四个物理量.
要点三、匀变速直线运动位移与速度的关系
1.公式推导
我们把速度公式v=v0+at,变为t=,代入位移公式x=v0t+at2可得v2-v=2ax
这就是匀变速直线运动位移与速度的关系式.
2.关系式的应用
(1)公式v2-v=2ax是根据匀变速直线运动的两个基本关系式推导出来的,但因为不含时间变量,所以在某些问题中应用很方便.
(2)公式在应用时也必须注意符号法则,公式中的v、v0、a、x也要规定统一的正方向,一般选初速度方向为正方向.
3.三个基本公式的选择
公式v=v0+at,x=v0t+at2,v2-v=2ax中包含五个物理量,它们分别为:初速度v0,加速度a,运动时间t,位移x和末速度v,在解题过程中选用公式的基本方法为:
(1)如果题目中无位移x,也不让求位移,一般选用速度公式v=v0+at;
(2)如果题中无末速度v,也不让求末速度,一般选用位移公式x=v0t+at2;
(3)如果题中无运动时间t,也不让求运动时间,一般选用导出公式v2-v=2ax.
由③④得:=v
一、位移公式的应用
例1 由静止开始做匀加速直线运动的汽车,第1 s内通过的位移为0.4 m,问:
(1)汽车在第1 s末的速度为多大?
(2)汽车在第2 s内通过的位移为多大?
解析 (1)由x=at2得
a== m/s2=0.8 m/s2,
所以汽车在第1 s末的速度为
v1=at=0.8×1 m/s=0.8 m/s.
(2)汽车在前2 s内的位移为x′=at′2=×0.8×22 m=1.6 m,所以第2 s内汽车的位移为:x2=x′-x=1.6 m-0.4 m=1.2 m.
答案 (1)0.8 m/s (2)1.2 m
(1)解此类问题时,可以画草图帮助分析.
(2)对于运动学问题,往往可以用多种方法解决,例如本题,同学们可以思考一下其他的方法.
(3)运动学问题中利用位移公式解题时,往往忽视公式中物理量的方向,公式x=v0t+at2中,v0、a、x都是矢量.
(4)求第n秒内的位移要用公式Δxn=xn-xn-1,而同学们往往求成前n秒的位移.
二、位移与速度关系式的应用
例2 美国“肯尼迪”号航空母舰上装有帮助飞机起飞的弹射系统.已知“F-15”型战斗机在跑道上加速时,产生的最大加速度为5.0 m/s2,起飞的最小速度是50 m/s,弹射系统能够使飞机具有的最大速度为30 m/s,则:
(1)飞机起飞时在跑道上至少加速多长时间才能起飞?
(2)航空母舰的跑道至少应该多长?
解析 (1)飞机在跑道上运动的过程中,当有最大初速度、最大加速度时,起飞所需时间最短,故有
t== s=4.0 s.
则飞机起飞时在跑道上的加速时间至少为4.0 s.
(2)x== m=160 m.
答案 (1)4.0 s (2)160 m
三、v-t图象的物理意义及应用
例3 某一做直线运动的物体,其v-t图象如图2-3、4-6所示,根据图象求:
图2-3、4-6
(1)物体距出发点最远的距离;
(2)前4 s内物体的位移大小;
(3)前4 s内物体的路程.
解析 (1)3 s末时,物体距出发点最远,此时xmax=×3×4 m=6 m.
(2)前4 s内,位移x=×3×4 m-×1×2 m=5 m.
(3)前4 s内,路程s=×3×4 m+×1×2 m=7 m.
答案 (1)6 m (2)5 m (3)7 m
v-t图象中,图线与时间轴所围面积表示位移,面积在时间轴上方表示位移为正,在时间轴下方表示位移为负,本题中0~3 s内位移为正,3~4 s内位移为负,即物体在3 s末开始反向运动.
四、公式的综合应用
例4 一辆汽车在高速公路上以30 m/s的速度匀速行驶,由于在前方出现险情,司机采取紧急刹车,刹车时加速度的大小为5 m/s2,求:
(1)汽车刹车后20 s内滑行的距离.
(2)从开始刹车汽车滑行50 m所经历的时间.
(3)在汽车停止前3 s内汽车滑行的距离.
解析 (1)由于v0=30 m/s,a=-5 m/s2,由v=v0+at,汽车的刹车时间t0为:
t0== s=6 s
由于t0x=v0t=×30×6 m=90 m.
(2)设从刹车到滑行50 m所经历的时间为t′,由位移公式x=v0t′+at′2,代入数据:50=30t′-×5t′2
整理得t′2-12t′+20=0
解得t1′=2 s,t2′=10 s(刹车停止后不能反向运动故舍去)
故所用时间为t′=2 s.
(3)此时可将运动过程看作反向的初速度为零的匀加速运动,由x=at2=×5×32 m=22.5 m.
答案 (1)90 m (2)2 s (3)22.5 m.
(1)汽车刹车、飞机降落后在跑道上滑行等都可以认为做匀减速直线运动,但是当速度减为零时,其加速度也变为零,物体不可能倒过来做反向运动,其最长的运动时间为t=.
(2)应用公式v=v0+at和x=v0t+at2处理此类问题时,式中的时间t不能任意选取,应注意判断题目中所给的时间t是否超出了物体实际运动的时间,即是否出现了“时间过量”问题.
(3)匀减速直线运动,当速度减为零时可以看成反向的初速度为零的匀加速直线运动.
1.沿同一方向做匀加速直线运动的几个物体,比较它们在同一段时间内的位移的大小,
其中位移最大的一定是( )
A.这段时间的加速度最大的物体
B.这段时间的初速度最大的物体
C.这段时间的末速度最大的物体
D.这段时间的平均速度最大的物体
2.两个小车在水平面上做加速度相同的匀减速直线运动,若它们的初速度之比为1∶2,它们运动的最大位移之比( )
A.1∶2 B.1∶4 C.1∶ D.2∶1
3.由于扳道工的失误,有两列相同的列车都以72 km/h的速度在同一条铁路线上相向而行.已知列车刹车时能产生的最大加速度为0.4 m/s2,为了避免发生车祸,这两名驾驶员至少要在两列车相距多远处同时刹车?
A.500 m B.1000 m C.800 m D.400 m
4.图2-3、4-7所示为初速度为v0沿直线运动的物体的速度图象,其末速度为vt.在时间t内,物体的平均速度和加速度a是( )
图2-3、4-7
A.>,a随时间减小
B.=,a恒定
C.<,a随时间减小
D.无法确定
5.用相同材料做成的A、B两木块的初速度之比为2∶3,它们以相同的加速度在同一粗糙水平面上沿直线滑行直至停止,则它们滑行的( )
A.时间之比为1∶1 B.时间之比为2∶3
C.距离之比为4∶9 D.距离之比为2∶3
6.如图2-3、4-8所示的是一质点做直线运动的v-t图象,则可知( )
图2-3、4-8
A.0~2 s与4 s~5 s内质点加速度方向相反
B.0~2 s与4 s~5 s内质点速度方向相反
C.2 s~4 s内质点加速度最大
D.0~5 s的位移为10.5 m
7.一辆汽车沿平直路面以15 m/s的速度行驶,紧急刹车时,做匀减速运动,加速度大小为5 m/s2,求:
(1)汽车刹车5 s时的速度;
(2)从开始刹车到停止,汽车滑行的距离.
8.一辆车以10 m/s的速度匀速行驶,在距车站25 m时开始制动,使车匀减速前进,到车站时恰好停下.求:
(1)车匀减速行驶时的加速度的大小;
(2)车从制动到停下来经历的时间.
题型1 基本公式的应用
例1 物体从静止开始做匀加速直线运动,加速度为1 m/s2,求:
(1)物体在2 s内的位移;
(2)物体在第2 s内的位移;
(3)物体在第二个2 s内的位移.
答案 (1)2 m (2)1.5 m (2)6 m
解析 2 s内的位移是前2 s内的位移,第2 s内的位移是第1 s末到第2 s末这1 s内的位移;第二个2 s内的位移是第2 s末到第4 s末这2 s内的位移.
由匀变速直线位移公式x=v0t+at2
(1)x1=at=×1×22 m=2 m
(2)第1 s末的速度(第2 s初的速度)v1=v0+at=1 m/s,故第2 s内位移x2=v1t+at2=(1×1+×1×12) m=1.5 m
(3)第2 s末的速度v2=v0+at′=1×2 m/s=2 m/s,也是物体第二个2 s的初速度,故物体在第2个2 s内的位移x3=v2t′+at′2=(2×2+×1×22) m=6 m
拓展探究 1.上例中若物体以大小为2 m/s2的加速度做匀减速直线运动,停止运动前2 s内的位移是整个位移的,求物体的初速度.
答案 8 m/s
解析 把此物体做匀减速运动过程看作初速度为零的、以原加速度做反向的匀加速直线运动,则根据x=at2得最后2 s内的位移x1=at,t1=2 s
全过程运动时间为t,位移x=at2.故==,解得t=4 s
故逆向运动的末速度v=at=2×4 m/s=8 m/s
即原匀减速直线运动的初速度v0=v=8 m/s
2.汽车以10 m/s的速度行驶,刹车后的加速度大小为3 m/s2,求它向前滑行12.5 m后的瞬时速度.
答案 5 m/s
解析 设汽车初速度方向为正方向,则v0=10 m/s,a=-3 m/s2,x=12.5 m
由v2-v=2ax得v2=v+2ax,所以v=±5 m/s.因为汽车并没有返回,故-5 m/s舍去,即v=5 m/s.
1.当v0=0时,位移公式可以简化为x=at2应用.
2.第n s内位移的求解可用n s内的位移减去(n-1) s内的位移.
3.逆向思维法:匀减速至零的运动过程可看作初速度为零的、以原加速度反向运动的匀加速直线运动.
4.求匀减速运动的位移时要首先判定减速到零所需要的时间.
5.在题目中未告诉时间也不涉及时间的求解时,往往用公式v2-v=2ax解答有关问题.
题型2 v-t图象的应用
例2 从车站开出的汽车,做匀加速直线运动,走了12 s时,发现还有乘客没上来,于是立即做匀减速运动至停车,汽车从开出到停止总共历时20 s,行进了50 m,求汽车的最大速度.
答案 5 m/s
解析 汽车先做初速度为零的匀加速直线运动,达到最高速度后,立即改做匀减速运动,可以应用解析法,也可应用图象法.
解法一:设最高速度为vmax,由题意,可得方程组
x=a1t+vmaxt2+a2t
t=t1+t2
vmax=a1t1,0=vmax+a2t2
解之得vmax=5 m/s
解法二 应用图象法,作出运动全过程中的v—t图象,如下图所示,v—t图象与t轴围成三角形的面积与位移等值,故
所以vmax== m/s=5 m/s.
拓展探究 若一物体以v0=5 m/s的初速度沿光滑斜面向上运动,其v-t图象如图2-3、4-1所示,求:2 s内的位移?
图2-3、4-1
答案 零
1.利用v-t图象处理匀变速直线运动的方法
(1)选取一个过程为研究过程.
(2)分析该段图线对应的纵坐标情况分析速度,分析该段图线的倾斜程度分析加速度.
(3)利用v-t图象与时间轴所围成的面积分析物体的位移.
(4)画出运动过程v-t图象直观展现运动情况.
2.v-t图象中,在t 轴上方包围面积表示位移为正,在下方包围的面积表示位移为负.
题型3 多过程问题的分析
例3 正以30 m/s的速率运行的列车,接到前方小站的请求,在该站停靠1 min,接一个危重病人上车.司机决定以大小为0.6 m/s2的加速度匀减速运动到小站且恰在小站停下,停车1 min后以1.0 m/s2的加速度匀加速启动,恢复到原来的速度行驶.求由于临时停车,共耽误了多长时间.
答案 100 s
解析 以列车原运动方向为正方向,设列车匀减速运动时间
为t1,a1=-0.6 m/s2
由v=v0+at得t1== s=50 s
设减速过程中行驶路程为x1,则
x1=v0t1+a1t
=30×50 m+×(-0.6)×502 m=750 m
停靠时间t2=60 s
设加速运动时间为t3
则由v0=a2t3得t3== s=30 s
加速过程中行驶路程
x2=a2t=×1×302 m=450 m
从开始制动到恢复原来速度运动共经历时间
t=t1+t2+t3=50 s+60 s+30 s=140 s
若列车以原速度匀速驶过x=x1+x2路程,需时间
t′== s=40 s
故共耽误时间Δt=t-t′=140 s-40 s=100 s
1.物体的位移随时间变化的函数关系是x=(4t+2t2) m,由它可知运动的初速度、加速度分别是( )
A.0,4 m/s2 B.4 m/s,2 m/s2
C.4 m/s,1 m/s2 D.4 m/s,4 m/s2
2.物体从静止做匀加速直线运动,第3 s内通过的位移是3 m,则( )
A.第3 s内平均速度是3 m/s
B.物体的加速度是1.2 m/s2
C.前3 s内的位移是6 m
D.3 s末的速度是3.6 m/s
3.汽车以20 m/s的速度做匀速直线运动,刹车后的加速度大小为5 m/s2,那么开始刹车后2 s与开始刹车后6 s汽车通过的位移之比为( )
A.1∶1 B.3∶1 C.3∶4 D.4∶3
图2-3、4-2
4.甲、乙两质点同时、同地点的向同一方向做直线运动,它们的v-t图象如图2-3、4-2所示,则( )
A.乙始终比甲运动得快
B.乙在2 s末追上甲
C.前4 s内乙的平均速度等于甲的速度
D.乙在追上甲时距出发点40 m远
5.物体的初速度是v0,以加速度a做匀加速直线运动,如果要使速度增加到初速度的n倍,则经过的位移是( )
A.(n2-1) B.(n-1)
C.n2 D.(n-1)2
6.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2-3、4-3所示),直线a、b分别描述了甲、乙两车在0~20秒的运动情况.关于两车之间的位置关系,下列说法正确的是( )
图2-3、4-3
A.在0~10秒内两车逐渐靠近
B.在10~20秒内两车逐渐远离
C.在5~15秒内两车的位移相等
D.在t=10秒时两车在公路上相遇
7.一物体做匀加速直线运动,初速度为0.5 m/s,第7 s内的位移比第5 s内的位移多4 m.求:
(1)物体的加速度.
(2)物体在5 s内的位移.
8.某种类型的飞机起飞滑行时,从静止开始做匀加速运动,加速度大小为4.0 m/s2,飞机速度达到80 m/s时,离开地面升空.如果在飞机达到起飞速度时,突然接到命令停止起飞,飞行员立即使飞机紧急制动,飞机做匀减速运动,加速度的大小为5.0 m/s2,请你为该类型的飞机设计一条跑道,使在这种特殊的情况下飞机停止起飞而不滑出跑道,你设计的跑道长度至少要多长?
9.高速公路给人们带来极大的方便,但是由于在高速公路上行驶的车辆速度很大,雾天曾出现过几十辆车追尾连续相撞的事故.假设有一轿车在某高速公路的正常行驶速度为120 km/h,轿车产生的最大加速度为大小8 m/s2,如果某天有薄雾,能见度(观察者与能看见的最远目标间的距离)约为37 m,设司机的反应时间为0.6 s,为了安全行驶,轿车行驶的最大速度是多少?
10.汽车以10 m/s的速度在平直公路上匀速行驶,刹车后经2 s速度变为6 m/s,求:
(1)刹车后2 s内前进的距离及刹车过程中的加速度.
(2)刹车后前进9 m所用的时间.
(3)刹车后8 s内前进的距离.
答案剖析
效果自测
答案 D
解析 由公式x=v0t+at2=·t=·t知,t相同,平均速度大的物体位移大.
答案 B
解析 x1=,x2=,所以x1:x2=v:v=1∶4.
答案 B
解析 二者恰好不相撞,则二者之间的距离应是二者刹车的位移之和.
答案 A
答案 BC
解析 两木块以一定的初速度做匀减速直线运动直至停止,计算其运动时间和位移.由匀变速直线运动的速度公式v=v0+at,得t==-,因为加速度相同,因此运动时间之比就等于初速度之比,选项B正确;将其看成反向的初速度为零的匀加速直线运动,根据位移公式x=at2,知位移之比等于运动时间的平方之比,选项C正确.
答案 AD
解析 由图象可知0~2 s内的加速度a1= m/s2=1.5 m/s2;2 s~4 s内a2=0;4 s~5 s内a3= m/s2=-3 m/s2,故A正确,C错.图象上0~5 s内的速度均为正值,表示速度方向都与正方向相同,故B错.0~5 s内的位移x= m=10.5 m,故D正确.
答案 (1)零 (2)22.5 m
解析 汽车刹车后做匀减速运动,初速度v0=15 m/s,加速度与初速度方向相反,a=-5 m/s2,减速停止的时间为t,所以:
(1)滑行停止的时间t== s=3 s;汽车刹车3 s时已经停止了,所以5 s时汽车的速度为零.
(2)汽车滑行的距离x=v0t+at2=15×3+×(-5)×32 m=22.5 m.
答案 (1)2 m/s2 (2)5 s
解析 (1)由v2-v=2ax得0-100=2a×25,解得a=-2 m/s2,即加速度的大小为2 m/s2.
(2)车从制动到停下来经历的时间t===5 s.
课时作业
答案 D
解析 将x=4t+2t2与标准方程x=v0t+at2相对照知,v0=4 m/s,a=2,即a=4 m/s2,选项D正确.
答案 ABD
解析 第3 s内的平均速度== m/s=3 m/s,A正确;前3 s内的位移x3=at,前2秒内的位移x2=at,故Δx=x3-x2=at-at=3 m,即a·32-a·22=3 m,解得a=1.2 m/s2,选项B正确;将a代入x3得x3=5.4 m,C错误;v3=at3=1.2×3 m/s=3.6 m/s,D亦正确.
答案 C
解析 汽车刹车后减速到零的时间t0== s=4 s.故2 s时的位移x1=v0t+at2=(20×2-×5×22) m=30 m,6 s时的位移x2=·t0=10×4 m=40 m,位移之比x1:x2=3∶4,选项C正确.
答案 CD
解析 由v-t图象知,2 s前乙的速度比甲的速度小,甲在前,乙在后,甲、乙之间的距离越来越大,2 s后乙的速度比甲的速度大,甲仍在前,乙在后,但甲、乙之间的距离越来越小,直到4 s时甲、乙相遇,2 s时甲、乙相距最远,故选项C、D正确.
答案 A
解析 由速度位移公式v2-v=2ax得x===(n2-1).
答案 C
解析 根据v-t图线与时间轴所围面积表示位移可知:在0~10秒内两车的位移差逐渐增大即两车在远离,A错;
在10~20秒内甲的位移增加得多,两车在靠近,到20秒末两车相遇,B错;
在5~15秒内由图线的对称关系知两图线在此时间段与时间轴所围面积相等,故两车位移相等,C正确;v-t图线的交点表示该时刻速度相等,D错误.
答案 (1)2 m/s2 (2)27.5 m
解析 利用相邻的相等时间内的位移差公式Δx=aT2求解,令T=1 s,得a== m/s2=2 m/s2.再由位移公式可求得x5总=v0t+at2=(0.5×5+×2×52) m=27.5 m.
答案 1 440 m
解析 飞机从静止开始做匀加速运动到离开地面升空过程中滑行的距离为x1,v=2a1x1,则x1==800 m.
飞机从速度80 m/s做匀减速运动到静止的过程中,滑行的
距离为x2,-v=2a2x2,则x2==640 m,所以跑道至少长为x=x1+x2=1 440 m.
答案 72 km/h
解析 在反应时间内车速不变,汽车继续做匀速运动,刹车后匀减速至停止,设原来车速为vm,由运动学规律得0.6vm+≤37,所以vm≤20 m/s,即最大速度为72 km/h.
答案 (1)16 m 2 m/s2 (2)1 s (3)25 m
解析 (1)汽车刹车后做匀减速运动,由a=求得a=-2 m/s2,再由位移公式x=v0t+at2可求得x=16 m,也可由平均速度公式==,求得x=16 m.
(2)由位移公式x=v0t+at2代入数值
可得:t1=1 s,t2=9 s.将t2=9 s代入速度公式vt=v0+at可得vt=-8 m/s,即汽车刹车后又反向运动到位移是9 m处,这是不可能的,所以刹车后前进9 m所用时间为1 s.
(3)设汽车刹车所用最长时间为t,则经时间t汽车速度变为零,由v=v0+at可得t=5 s,可见汽车刹车仅用了5 s,在8 s的时间内,汽车有3 s静止不动,因此,x=v0t+at2=25 m或x=t=25 m.
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