内容正文:
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匀变速直线运动
第2章 匀变速直线运动
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第1节 速度变化规律
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反向
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v0+at
at
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时间
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时间
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×
×
×
√
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【核心素养目标】
物理观念
结合加速度表达式理解匀变速直线运动的特点及分类。
科学思维
经历速度规律的过程,体会数学思想和方法在解决物理问题中的重要作用。
科学探究
经历探究匀变速直线运动的速度公式的推导过程。
科学态度与责任
通过观察生活中的匀变速直线运动,使学生感受物理来源于生活的思想。
一、匀变速直线运动的特点
1.匀变速直线运动:物体_______保持不变的直线运动。
2.匀变速直线运动特点:物体在直线运动过程中,加速度的_____和_____都不改变,即___为一恒量。
3.分类
(1)匀加速直线运动:加速度与速度_____,速度_____。
(2)匀减速直线运动:加速度与速度_____,速度_____。
二、匀变速直线运动的速度-时间关系
1.速度公式:vt=__________,若v0=0,则vt=_____。
2.意义:做匀变速直线运动的物体,在t时刻的速度v等于物体在开始时刻的速度v0加上在整个过程中速度的变化量_____。
3.匀变速直线运动的速度-时间图像
(1)vt图线是一条倾斜的_____。
(2)图像提供的信息:一是直观反映物体运动速度随_____变化的规律,二是可以求出某时刻物体运动___________或物体达到某速度所需要的_____,三是可以利用图线的斜率求出物体的_______。
1.判断正误
(1)匀变速直线运动的加速度不变。( )
(2)加速度保持不变的运动就是匀变速直线运动。( )
(3)速度逐渐增加的直线运动是匀加速直线运动。( )
(4)公式vt=v0+at适用于任何做直线运动的物体。( )
(5)公式vt=v0+at既适用于匀加速直线运动,也适用于匀减速直线运动。( )
(6)匀加速直线运动的vt图像的斜率逐渐增大。( )
2.链接实景
一小汽车在马路上飞速行驶,突然有一小狗从对面飞奔过来,司机看见紧急刹车,已知汽车的加速度大小为6 m/s2,要是汽车在两秒内停下来,这样才撞不到小狗,那么汽车行驶的速度最高不能超过多少?
提示: 规定汽车的初速度为正,已知v=0,t=2 s,a=-6 m/s2。
根据速度公式vt=v0+at得,v0=vt-at=12 m/s≈43 km/h。
知识点一 对匀变速直线运动的理解
下表是一汽车驾驶员在汽车做变速直线运动时,通过速度计记下间隔相等的各时刻的速度值。
根据记录的数据具体分析一下,看能发现什么?
时刻t/s
0
5
10
15
20
速度v/(km/h)
10
20
30
40
50
提示: 相同时间内汽车速度增加量相同。
1.物体是否做匀变速直线运动的判断,依据运动物体是否在同一直线上运动,加速度是否恒定,与物体的速度方向无关。只要物体沿直线运动且加速度恒定,即使物体的速度方向发生变化也是匀变速直线运动。
2.加速度的正、负取决于正方向的选取,加速度方向与规定的正方向相同时加速度为正值,反之为负值。
3.匀加速直线运动和匀减速直线运动的判断,要看速度方向与加速度方向的关系,二者同向时为匀加速直线运动,二者反向时为匀减速直线运动。
关于匀变速直线运动,下列说法正确的是( )
A.是加速度不变、速度随时间均匀变化的直线运动
B.是速度不变、加速度变化的直线运动
C.是速度随时间均匀变化、加速度也随时间均匀变化的直线运动
D.当加速度不断减小时,其速度也一定不断减小
[思路点拨] 解此题抓住两点:
(1)匀变速直线运动加速度不变的特点。
(2)物体加速还是减速是由加速度与速度的方向决定的。
A [匀变速直线运动是速度均匀变化,加速度不变的直线运动,所以A正确,B、C错误;当速度与加速度同向时速度增大,当速度与加速度反向时速度减小,而加速度不断减小,只能说明速度改变的越来越慢,故D错误。]
针对练.下列有关匀变速直线运动的认识,其中正确的是( )
A.物体在一条直线上运动,若在相等的时间内通过的位移相等,则物体的运动就是匀变速直线运动
B.加速度大小不变的运动就是匀变速直线运动
C.匀变速直线运动是任意相等时间内速度变化量为零的运动
D.匀变速直线运动的加速度是一个恒量
D [匀变速直线运动是加速度恒定的直线运动,即加速度大小、方向都不变,选项B错误,D正确;物体做匀变速直线运动,其速度不断变化,所以在任意相等的时间内速度变化量不为零,在相等时间内通过的位移不相等,选项A、C错误。]
知识点二 对公式vt=v0+at的理解和应用
2019年12月27日,C919大型客机106架机于10时15分从浦东机场第四跑道起飞,经过2小时5分钟的飞行,在完成了30个试验点后,于12时20分返航并平稳降落浦东机场,顺利完成其首次飞行任务。
(1)如果将C919大型客机在地面上滑行起飞的过程看作是匀加速直线运动,其运动的速度与时间有什么关系?
(2)C919大型客机的起飞速度为315 km/h,滑行过程中的加速度为 3 m/s2,其在跑道上滑行的时间与哪些物理量有关?
提示: (1)vt=v0+at。
(2)加速度、起飞速度。
1.公式的适用条件
公式vt=v0+at只适用于匀变速直线运动。
2.公式的矢量性
(1)公式vt=v0+at中的v0、vt、a均为矢量,应用公式解题时,首先应选取正方向。
(2)一般以v0的方向为正方向,此时若为匀加速直线运动,则a>0;若为匀减速直线运动,则a<0。对于计算结果vt>0,说明vt与v0方向相同;vt<0,说明vt与v0方向相反。
3.两种特殊情况
(1)当v0=0时,vt=at。
由于匀变速直线运动的加速度恒定不变,表明由静止开始的匀加速直线运动的速度大小与其运动时间成正比。
(2)当a=0时,vt=v0。
加速度为零的运动是匀速直线运动,也表明匀速直线运动是匀变速直线运动的特例。
我国的家庭汽车保有量居世界第一。汽车一般有五个前进挡位,如图所示,对应不同的速度范围。设在每一挡汽车均做匀变速直线运动,换挡时间不计。某次行车时,一挡起步,起步后马上挂入二挡,加速度为2 m/s2,3 s后挂入三挡,再经过4 s速度达到13 m/s,随即挂入四挡,加速度为1.5 m/s2,速度达到16 m/s时挂上五挡,加速度为1 m/s2。求:
(1)汽车在三挡时的加速度大小;
(2)汽车在四挡时行驶的时间;
(3)汽车挂上五挡后再过5 s的速度大小。
解析: 汽车运动过程如图所示。
(1)根据匀变速直线运动的速度与时间的关系vt=v0+at知,刚挂入三挡时,汽车的速度
v1=a1t1=2×3 m/s=6 m/s
可知汽车在三挡时的加速度大小
a2= eq \f(v2-v1,t2) = eq \f(13-6,4) m/s2=1.75 m/s2。
(2)根据v3=v2+a3t3知,汽车在四挡时的行驶时间
t3= eq \f(v3-v2,a3) = eq \f(16-13,1.5) s=2 s。
(3)汽车挂上五挡后再过5 s的速度
v4=v3+a4t4=16 m/s+1×5 m/s=21 m/s。
答案: (1)1.75 m/s2 (2)2 s (3)21 m/s
eq \a\vs4\al(方法技巧)
应用速度公式vt=v0+at解题的思路
(1)选取研究对象和过程。
(2)画出运动草图,标上已知量。
(3)规定正方向,判断各量的正、负,利用vt=v0+at由已知条件求解,最后指明所求量的方向。
针对练1.一家从事创新设计的公司打造了一台飞行汽车,既可以在公路上行驶,也可以在天空飞行。已知该飞行汽车在跑道上的加速度大小为 2 m/s2,速度达到40 m/s后离开地面。离开跑道后的加速度为5 m/s2,最大速度为200 m/s。飞行汽车从静止加速到最大速度所用的时间为( )
A.40 s
B.52 s
C.88 s
D.100 s
B [由vt=v0+at知,飞行汽车在跑道上运动的时间t1= eq \f(v1,a1) = eq \f(40,2) s=20 s。起飞后达到最大速度需要t2= eq \f(v2-v1,a2) = eq \f(200-40,5) s=32 s,故t=t1+t2=52 s。]
针对练2.如图所示,纯电动汽车不排放污染空气的有害气体,具有较好的发展前景。某辆电动汽车在一次刹车测试中,初速度为18 m/s,经过3 s汽车刚好停止运动。若将该过程视为匀减速直线运动,则这段时间内电动汽车加速度的大小为( )
A.3 m/s2
B.6 m/s2
C.15 m/s2
D.18 m/s2
B [根据匀变速直线运动的速度公式,有vt=v0+at,所以电动汽车的加速度a= eq \f(vt-v0,t) = eq \f(0-18,3) m/s2=-6 m/s2,大小为6 m/s2,选项B正确。]
知识点三 对v t图像的分析及应用
四个做直线运动的物体的v t图像如图所示。
(1)物体分别做什么运动?
(2)在乙、丙、丁图中,加速度不变的物体是哪个?在乙和丁图中,物体的运动有什么不同?
提示: (1)甲做匀速直线运动;乙做匀加速直线运动;丙做匀减速直线运动;丁做变加速直线运动。
(2)乙、丙;物体乙的v t图线斜率不变,加速度不变,速度随时间均匀增加,物体丁的v t 图线的斜率变大,加速度变大,速度增加得越来越快。
1.直线运动的v t图像
(1)匀速直线运动的v t图像
匀速直线运动的v t图像是一条平行于时间轴的直线。如图所示,从图像中可以直接读出甲、乙速度的大小和方向。
(2)匀变速直线运动的v t图像
匀变速直线运动的v t图像是一条倾斜的直线,如图所示。
①直线a为匀加速直线运动的图像。
②直线b为匀减速直线运动的图像。
③直线c表示0~t1时间内做匀减速直线运动,t1时刻后反向做匀加速直线运动,由于加速度不变,整个运动过程是(有往复的)匀变速直线运动。
2.由v t图像能获得的信息
图像上某点
的纵坐标
正、负
表示瞬时速度的方向
绝对值
表示瞬时速度的大小
图像的斜率
正、负
表示加速度的方向
绝对值
表示加速度的大小
图像与坐标轴
的交点
纵截距
表示初速度
横截距
表示开始运动或速度为零的时刻
图像的拐点
表示加速度改变
两图像的交点
表示对应时刻速度相等
(多选)一汽车在行驶过程中通过交叉路口的速度-时间图像如图所示。由图像可知( )
A.汽车在路口等候的时间为14 s
B.汽车减速阶段的加速度大小为2.5 m/s2
C.汽车14 s以后做曲线运动
D.汽车在启动过程的加速度逐渐减小
BD [由题图看出汽车在路口等候的时间t=14.0 s-4.0 s=10.0 s,故A错误;汽车减速阶段的加速度大小为a= eq \f(10-0,4) m/s2=2.5 m/s2,故B正确;v t图像描述的是物体的速度随时间的变化规律,不表示物体的运动轨迹,汽车14 s以后做直线运动,故C错误;14.0 s后汽车启动,因图像切线的斜率不断减小,知汽车的加速度不断减小,故D正确。]
eq \a\vs4\al(易错警示)
应用v t图像时的三点提醒
(1)v t图像只能描述直线运动,反映了速度v随时间t变化的规律,并非物体的运动轨迹。
(2)当v t图像为穿过t轴的直线时,物体的运动方向即速度方向发生了变化,但加速度的大小和方向都不变,即物体先做匀减速直线运动,速度减小为零后反向做匀加速直线运动,全程为有往复的匀变速直线运动。
(3)v t图像向上倾斜时加速度为“正”,向下倾斜时加速度为“负”,但不能据此判断物体做加速运动或减速运动,关键还是看加速度的方向与速度的方向之间的关系,或者根据v t图像判断速度是在增大还是减小。
针对练1.几个质点的运动图像如图所示,其中是匀变速直线运动的是( )
A.甲、乙、丙
B.甲、乙、丁
C.甲、丙、丁
D.乙
A [甲、乙、丙均表示匀变速直线运动,丁表示加速度均匀变化的运动。故A正确。]
针对练2.某质点的v t图像如图所示,下列说法正确的是( )
A.在0~6 s内,质点做匀变速直线运动
B.在6~10 s内,质点处于静止状态
C.在4 s末,质点向相反方向运动
D.在t=12 s末,质点的加速度为-1 m/s2
D [质点在0~4 s内做加速度为1.5 m/s2的匀加速直线运动,在4~6 s内做加速度为-1 m/s2的匀减速直线运动,在0~6 s内加速度发生变化,故不能说质点做匀变速直线运动;质点在6~10 s内做匀速直线运动;在0~ 14 s内图线始终在t轴上方,运动方向不变;质点在10~14 s内做加速度为-1 m/s2的匀减速直线运动。综上所述只有D选项正确。]
生活中的“STSE”——刹车类问题
1.刹车问题:车辆刹车时可看成匀减速直线运动直至速度变为零,所以刹车时车辆只在“刹车时间”内做匀减速运动,而速度减为零后保持静止。刹车时间取决于初速度和加速度的大小。
2.常见错误:当给定的时间大于“刹车时间”时,误认为汽车在给定的时间内一直做匀减速直线运动,简单套用速度公式vt=v0+at,得出的速度出现负值的典型错误。
应用1.如图所示,该汽车以45 km/h的速度匀速行驶。
(1)若汽车以0.6 m/s2的加速度加速,则10 s末速度能达到多少?
(2)若汽车刹车以0.6 m/s2的加速度减速,则10 s末速度能达到多少?
(3)若汽车刹车以3 m/s2的加速度减速,则10 s末速度为多少?
解析: (1)初速度v0=45 km/h=12.5 m/s,加速度a1=0.6 m/s2,时间t1=10 s,10 s末汽车的速度
v1=v0+a1t1=(12.5+0.6×10)m/s=18.5 m/s。
(2)汽车匀减速运动,a2=-0.6 m/s2,减速到停止所需要的时间
t= eq \f(0-v0,a2) = eq \f(0-12.5,-0.6 ) s≈20.83 s>10 s。
所以10 s末汽车的速度
v2=v0+a2t2=(12.5-0.6×10)m/s=6.5 m/s。
(3)汽车刹车所用时间t3= eq \f(0-v0,a3) = eq \f(0-12.5,-3) s<10 s
所以10 s末汽车已经刹车完毕,则10 s末汽车速度为零。
答案: (1)18.5 m/s (2)6.5 m/s (3)0
eq \a\vs4\al(方法技巧)
解决刹车类问题的方法思路
(1)明确车辆的刹车时间(车辆末速度变为零时所用的时间)。通常可由t= eq \f(vt-v0,a) 计算得出。并判断给定的时间是大于刹车时间,还是小于刹车时间。
(2)若给定的时间小于刹车时间,则汽车在给定的时间段内做匀减速运动;反之,实际运动时间等于刹车时间。
应用2.以72 km/h的速度在平直公路上行驶的汽车,遇紧急情况而急刹车获得大小为4 m/s2的加速度,则刹车6 s后汽车的速度为( )
A.16 m/s
B.12 m/s
C.8 m/s
D.0
D [取初速度方向为正方向,则v0=72 km/h=20 m/s,a=-4 m/s2。设汽车经t0时间而停止运动,即末速度vt=0,由vt=v0+at0,得t0= eq \f(vt-v0,a) = eq \f(0-20,-4) s=5 s,故在t0=5 s末汽车速度为零,而汽车在t=6 s时已处于静止状态,故在刹车6 s后汽车速度为0,故D正确。]
应用3.磁悬浮列车由静止开始加速出站,加速度为0.6 m/s2,2 min后列车速度为多大?列车匀速运动时速度为432 km/h,如果以0.8 m/s2的加速度减速进站,则减速160 s时速度为多大?
解析: 取列车开始运动方向为正方向,列车初速度v1=0,则列车2 min后的速度v=v1+a1t1=(0+0.6×2×60) m/s=72 m/s
当列车减速进站时a2=-0.8 m/s2
初速度v2=432 km/h=120 m/s
列车从开始刹车到速度为0的时间
t2= eq \f(0-v2,a2) = eq \f(0-120,-0.8) s=150 s<160 s
所以160 s时列车已经停止运动,速度为0。
答案: 72 m/s 0
1.(多选)下列关于直线运动的说法正确的是( )
A.匀速直线运动的速度是恒定的
B.匀变速直线运动的瞬时速度随时间而改变
C.速度随时间不断增加的运动,叫匀加速直线运动
D.速度随时间均匀减小的直线运动,是匀减速直线运动
ABD [匀速直线运动的速度是恒定的,大小和方向都不随时间变化,所以选项A正确。匀变速直线运动是加速度保持不变的直线运动,它的速度随时间均匀变化,所以选项B正确。如果速度随时间均匀增加,那么是匀加速直线运动;如果速度随时间不均匀增加,那么这种运动就不是匀加速直线运动,所以选项C错误。速度随时间均匀减小的直线运动,是匀减速直线运动,所以选项D正确。]
2.物体做匀变速直线运动,其速度与时间关系是:vt=(2-4t) m/s,则( )
A.物体的初速度是4 m/s
B.物体的初速度是-4 m/s
C.物体的加速度是-4 m/s2
D.物体的加速度是4 m/s2
C [将题目中给出的速度公式vt=(2-4t)m/s与匀变速直线运动的速度公式:vt=v0+at比较可得:v0=2 m/s,a=-4 m/s2,故选项C正确,A、B、D错误。]
3.(2021·南昌市新建一中高一期中)一个质点做直线运动的v t图像如图所示,下列判断正确的是( )
A.质点在0~8 s内的位移大小为16 m
B.质点在10 s末离出发点最远
C.质点在整个0~12 s内的运动过程中,10~12 s内的加速度最小
D.质点在0~10 s内的平均速度为1.9 m/s
D [由图看出,物体在0~8 s内沿正方向运动,速度图像的“面积”等于位移,所以位移大小s= eq \f(1,2) ×(3+8)×2 m=11 m,故A错误;质点在0~11 s内沿正方向运动,11 s~12 s内沿负方向返回,所以质点在11 s末离出发点最远。故B错误;根据速度图像的斜率等于加速度,可以看出,质点在10s~12 s内图线的斜率大小最大,所以加速度最大,故C错误;质点在0~10 s内的位移s′=s+ eq \f(1,2) ×(2+6)×2 m=19 m,平均速度为 eq \x\to(v) = eq \f(s′,t) = eq \f(19,10) m/s=1.9 m/s,选项D正确。]
4.(2021·山东济南市高一月考)汽车在平直的公路上做直线运动,第一阶段,汽车由静止开始做加速度为2 m/s2的匀加速直线运动,历时3 s后进入第二阶段,在第二阶段继续匀加速经过4 s速度达到13 m/s,之后又进入第三阶段,在第三阶段以加速度大小为1 m/s2做匀减速直线运动,直到汽车停止。求:
(1)汽车在第二阶段的初速度大小;
(2)汽车在第二阶段的加速度大小;
(3)汽车在第三阶段所用的时间。
解析: (1)汽车在第二阶段的初速度大小为v1=a1t1=2×3 m/s=6 m/s
(2)汽车在第二阶段,根据速度公式可得汽车在第二阶段的加速度大小a2= eq \f(v2-v1,t2) = eq \f(13-6,4) m/s2=1.75 m/s2。
(3)汽车在第三阶段,根据速度公式可得汽车在第三阶段所用的时间t3= eq \f(v3-v2,a3) = eq \f(0-13,-1) s=13 s。
答案: (1)6 m/s (2)1.75 m/s2 (3)13 s
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