内容正文:
微专题——运动图像问题
(综合融通课)
第 4 讲
1
(一) 位移—时间(s⁃t)图像
2
(二) 速度—时间(v⁃t)图像
CONTENTS
目录
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课时跟踪检测
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(三) 加速度—时间(a⁃t)图像
4
(四) 非常规运动学图像
(一) 位移—时间(s⁃t)图像
对s⁃t图像的理解
(1)s⁃t图像反映了做直线运动的物体的位移随时间变化的规律,图像并非物体运动的轨迹。
(2)s⁃t图像只能描述物体做直线运动的情况,这是因为s⁃t图像只能表示物体运动的两个方向:t轴上方代表正方向,t轴下方代表负方向;如果物体做曲线运动,则画不出s⁃t图像。
(3)s⁃t图像上某点切线的斜率表示物体在该时刻的速度,斜率的大小表示速度的大小,斜率的正负表示速度的方向。
考法1 单个物体运动的s⁃t图像
1.(2025年1月·八省联考陕晋宁青卷)2024年8月,我国运动员获得第33届奥运会男子100 m自由泳冠军。比赛所用标准泳池的长度为50 m,下列与该运动员实际运动过程最接近的位移-时间(s⁃t)图像是( )
考法全训
√
解析:标准泳池的长度为50 m,在100 m自由泳比赛中,运动员的位移先增大后减小,最后回到出发点,离出发点最远处的位移大小为50 m,只有C选项满足。故选C。
考法2 多个物体运动的s⁃t图像
2.(2025·四川宜宾模拟)如图所示为甲、乙两质点同时沿同一直线运动的位移时间图像。关于两质点的运动情况,下列说法正确的是( )
A.在0~t0时间内,乙的速度一直在减小
B.在0~2t0时间内,甲的速度一直在减小
C.在0~t0时间内,甲、乙的运动方向相同
D.在0~2t0时间内,甲、乙发生的位移相同
√
解析:位移时间图像的斜率表示速度,在0~t0时间内,乙图线的斜率不断减小,则乙的速度一直在减小,故A正确;在0~2t0时间内,甲图线的斜率不变,则甲的速度一直不变,故B错误;在0~t0时间内,甲的速度为负,乙的速度为正,说明甲、乙的运动方向相反,故C错误;在0~2t0时间内,甲的位移为-2s0,乙的位移为2s0,所以甲、乙发生的位移大小相等、方向相反,故D错误。
(二) 速度—时间(v⁃t)图像
课
堂
1.对v⁃t图像的理解
(1)v⁃t图像反映了做直线运动的物体的速度随时间变化的规律,它只能描述物体做直线运动的情况。
(2)v⁃t图像上某点切线的斜率表示物体在该时刻的加速度。斜率的大小表示加速度的大小,斜率为正表示加速度沿规定的正方向,但物体不一定做加速运动;斜率为负表示加速度沿负方向,但物体不一定做减速运动。
(3)v⁃t图像与t轴所围面积表示这段时间内物体的位移。t轴上方的面积表示位移沿正方向,t轴下方的面积表示位移沿负方向,如果上方与下方的面积大小相等,说明物体恰好回到出发点。
2.s⁃t图像与v⁃t图像的比较
s⁃t图像 v⁃t图像
轴 横轴为时间t,纵轴为位移s 横轴为时间t,纵轴为速度v
线 倾斜直线表示做匀速直线运动 倾斜直线表示做匀变速直线运动
斜率 表示速度 表示加速度
面积 无实际意义 图线与时间轴围成的面积表示位移大小
纵截距 表示初位置 表示初速度
特殊点 拐点表示速度变化,交点表示位移相等 拐点表示加速度变化,交点表示速度相等
考法1 对v⁃t图像的理解及应用
1.(2024·福建高考)某公司在封闭公路上对一新型电动汽车进行直线加速和刹车性能测试,某次测试的速度—时间图像如图所示。已知0~3.0 s和3.5~6.0 s内图线为直线,3.0~3.5 s内图线为曲线,则该车( )
A.在0~3.0 s的平均速度为10 m/s
B.在3.0~6.0 s做匀减速直线运动
C.在0~3.0 s内的位移比在3.0~6.0 s内的大
D.在0~3.0 s的加速度大小比3.5~6.0 s的小
考法全训
√
解析:根据v⁃t图像可知,汽车在0~3.0 s内做匀加速直线运动,平均速度为= m/s=15 m/s,故A错误;在3.0~3.5 s内v⁃t图像为曲线,汽车做非匀变速运动,在3.5~6.0 s内图像为倾斜的直线,汽车做匀减速直线运动,故B错误;根据v⁃t图像与横轴围成的面积表示位移大小,做一条辅助线如图所示,
可得汽车在0~3.0 s内的位移大小为s1=×30×3 m=45 m,在3.0~6.0 s内的位移大小s2>×30×(6.0-3.0)m=45 m,可知在0~3.0 s内的位移比在3.0~6.0 s内的小,故C错误;根据v⁃t图像的斜率的绝对值表示加速度大小,可知汽车在0~3.0 s的加速度大小为a1= m/s2=10 m/s2,在3.5~6.0 s的加速度大小a2> m/s2=10 m/s2,可知在0~3.0 s的加速度大小比3.5~6.0 s的小,故D正确。
2.(2025·福建永安模拟)“打水漂”是一种常见的娱乐活动,在地面将石子以某一初速度斜向上抛出,假设石子和水面相撞后,在水平方向速度没有损失,如此上升、下落及反弹数次。若规定竖直向下为正方向,不计碰撞时间和空气阻力,下列v⁃t图像中能正确描述石子在竖直方向上的运动的是 ( )
√
解析:石子以某一初速度抛出后,接触水面后竖直方向上的速度立即反向,石子只受到竖直向下的重力,在空中运动的加速度一直是g,则v⁃t图像的斜率不发生变化,但由于碰撞过程中存在能量损失,所以石子弹起时的速度越来越小,故选D。
考法2 s⁃t图像与v⁃t图像的比较
3.如图所示的位移(s)—时间(t)图像和速度(v)—时间(t)图像中给出四条图线,甲、乙、丙、丁代表四辆车由同一地点向同一方向运动的情况,则下列说法正确的是( )
A.甲车做直线运动,乙车做曲线运动
B.0~t1时间内,甲车通过的路程大于乙车通过的路程
C.0~t2时间内,丙、丁两车在t2时刻相距最远
D.0~t2时间内,丙、丁两车的平均速度相等
√
解析:根据位移—时间图像切线的斜率表示速度可知,甲车的速度不变,做匀速直线运动,乙车做速度越来越小的变速直线运动,故A错误;在t1时刻甲、乙两车的位移相等,又都是做单向直线运动,所以甲、乙两车路程相等,故B错误;由v⁃t图像与时间轴围成的面积表示位移可知,0~t2时间内,丙、丁两车在t2时刻面积差最大,所以在t2时刻相距最远,故C正确;0~t2时间内,丙车的位移小于丁车的位移,时间相等,平均速度等于位移除以时间,所以丙车的平均速度小于丁车的平均速度,故D错误。
(三) 加速度—时间(a⁃t)图像
课
堂
对a⁃t图像的理解
(1)a⁃t图像反映了物体沿某一直线运动时的
加速度随时间变化的规律。
(2)图线①表示物体做加速度逐渐增大的直
线运动,图线②表示物体做匀变速直线运动,
图线③表示物体做加速度逐渐减小的直线运动。
(3)由Δv=aΔt可知a⁃t图像与横轴所围面积表示这段时间内物体的速度变化量。
考法1 由a⁃t图像分析运动过程
1.(2023·湖北高考)(双选)t=0时刻,质点P从原点由静止开始做直线运动,其加速度a随时间t按图示的正弦曲线变化,周期为2t0。在0~3t0时间内,下列说法正确的是( )
考法全训
A.t=2t0时,P回到原点
B.t=2t0时,P的运动速度最小
C.t=t0时,P到原点的距离最远
D.t=t0时,P的运动速度与t=t0时相同
√
√
解析:质点在0~t0时间内从静止开始先做加速度增大的加速运动再做加速度减小的加速运动,此过程一直向前加速运动;t0~2t0时间内加速度和速度反向,先做加速度增大的减速运动再做加速度减小的减速运动,2t0时刻速度减小到零,0~2t0时间内一直向前运动;2t0~4t0重复此过程的运动,即质点一直向前运动,A、C错误,B正确。a⁃t图像的面积表示速度变化量,t0~t0时间内速度的变化量为零,因此t0时刻的速度与t0时刻的速度相同,D正确。
考法2 a⁃t图像与v⁃t图像的转化
2.一物体由静止开始沿直线运动,其加速度随时间变化的规律如图所示。取物体开始运动的方向为正方向,则下列关于物体运动的v⁃t图像正确的是( )
√
解析:根据加速度随时间变化的规律图像可得,0~1 s内物体做匀加速直线运动,速度v=at,为正值,D错误;第1 s末的速度v1=1 m/s,1~ 2 s内加速度变为负值,因此物体做匀减速直线运动,到第2 s末速度减小为0,B错误;2~3 s内,加速度为正值,初速度为0,物体沿正方向做匀加速直线运动,即从第2 s开始重复前面的运动,C正确,A错误。
(四) 非常规运动学图像
课
堂
对于非常规运动学图像,一般解题思路为:先根据运动学公式推导出图像中纵坐标与横坐标两个物理量间的函数关系,再结合图像进一步分析图像的斜率、截距、面积的含义,求出物体运动的初速度、加速度、运动时间等物理量。
类型1 ⁃t图像
由s=v0t+at2→=v0+at,可知:
(1)⁃t图像的斜率k=a。
(2)图像与纵轴的交点表示物体的初速度。
[例1] 为检测某新能源动力车的刹车性能,现在平直公路上做刹车实验,如图所示是动力车在刹车过程中位移和时间的比值与时间t之间的关系图像,下列说法正确的是( )
A.动力车的初速度大小为10 m/s
B.刹车过程动力车的加速度大小为2.5 m/s2
C.刹车过程持续的时间为8 s
D.从开始刹车时计时,经过8 s,动力车的位移大小为40 m
√
[解析] 根据匀变速直线运动的位移与时间关系式s=v0t+at2,得=at+v0,对比题图可得v0=20 m/s,a= m/s2,解得a=-5 m/s2,即动力车的初速度大小为20 m/s,刹车过程动力车的加速度大小为 5 m/s2,A、B错误;刹车过程持续的时间为t0== s=4 s,C错误;经过8 s,车已经停止,则整个刹车过程动力车的位移大小为s0=t0=×4 m=40 m,D正确。
类型2 v2⁃s图像
由v2-=2as→v2=+2as,可知:
(1)v2⁃s图像的斜率k=2a。
(2)图像与纵轴的交点表示物体初速度的平方,即。
[例2] 一辆汽车以20 m/s的速度在平直
公路上匀速行驶,某时刻司机发现前方施工需
减速行驶,司机反应了0.2 s后开始刹车。如图
所示为发现前方施工提示后的速度平方v2随位
移s的变化关系。从司机发现前方施工提示至汽车速度减小到5 m/s过程中,汽车的位移大小为 ( )
A.44 m B.41.5 m
C.40 m D.37.5 m
√
[解析] 由题图可知,反应时间内汽车的位移大小为s1=4 m,根据匀变速直线运动的速度与位移关系式v2-=2as,得v2=+2as,由图像解得a=-5 m/s2,当速度为5 m/s时,汽车减速运动的位移大小为s2==37.5 m,故汽车的位移大小为s=s1+s2=41.5 m,A、C、D错误,B正确。
类型3 ⁃图像
由s=v0t+at2→=v0·+a,可知:
(1)⁃图像的斜率k=v0。
(2)图像与纵轴的交点表示物体的加速度的一半,即。
[例3] 如图为研究某动车的运动情况绘制的⁃图像。已知该动车运动轨迹是直线,但是不知该动车是处于加速还是刹车状态,以下说法合理的是( )
A.该动车处于匀加速状态
B.该动车的初速度为0
C.该动车的加速度大小为6 m/s2
D.该动车在前3 s的位移大小为18 m
√
[解析] 由s=v0t+at2,将等式变形为=+a,由⁃图像与坐标轴的两个交点可得v0=15 m/s,a=-6 m/s2,该动车做初速度为15 m/s、加速度大小为6 m/s2的匀减速运动,故A、B错误,C正确;由v=v0+at可判断,该动车在2.5 s时停止运动,由v2-=2as,得该动车在前3 s的位移大小为s= m=18.75 m,故D错误。
类型4 ⁃s图像
由t=可知,⁃s图像与横轴所围面积表示物体的运动时间t。
[例4] 一质点由静止开始沿直线运动,通过传
感器描绘出关于s的函数图像如图所示,下列说法
正确的是( )
A.质点做匀减速直线运动
B.⁃ s图像斜率等于质点运动的加速度
C.四边形AA'B'B的面积可表示质点从O到C'所用的时间
D.四边形BB'C'C的面积可表示质点从C到C'所用的时间
√
[解析] 由⁃s图像可知,与s成正比,即vs=常数,质点的速度随位移的增大而减小,因此质点做减速直线运动,但不是匀减速直线运动,又因为图像的斜率k=,显然不等于质点的加速度,A、B错误;由于三角形OBC的面积S1=OC·BC=,表示质点从O到C所用的时间,同理,质点从O到C'所用的时间可由三角形OB'C'的面积S2=表示,所以四边形BB'C'C的面积可表示质点从C到C'所用的时间,C错误,D正确。
课时跟踪检测
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一、单项选择题
1.(2025年1月·八省联考河南卷)某运动员参加百米赛跑,起跑后做匀加速直线运动,一段时间后达到最大速度,此后保持该速度运动到终点。下列速度-时间(v ⁃t)和位移-时间(s ⁃t)图像中,能够正确描述该过程的是( )
√
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解析: v ⁃t图像的斜率表示加速度,由匀加速直线运动速度与时间的关系v=at,可知v ⁃t图像在匀加速阶段为一条倾斜直线,在匀速阶段为一条平行于时间轴的直线,故A错误,B正确;根据匀加速直线运动位移与时间的关系s=at2,可知在匀加速阶段s ⁃t图像为开口向上的抛物线,根据匀速直线运动位移与时间的关系s=vt,可知在匀速阶段s ⁃t图像为一条倾斜直线,故C、D错误。
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2.(2024·重庆高考)如图所示,某滑雪爱好者经过M点后在水平雪道滑行,然后滑上平滑连接的倾斜雪道,当其到达N点时速度为0,在水平雪道上滑行视为匀速直线运动,在倾斜雪道上的运动视为匀减速直线运动。则M点到N点的运动过程中,其速度大小v随时间t的变化图像可能是 ( )
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解析:滑雪爱好者在水平雪道上做匀速直线运动,滑上平滑连接(没有能量损失,速度大小不变)的倾斜雪道,在倾斜雪道上做匀减速直线运动。故选C。
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3.(2024·甘肃高考)小明测得兰州地铁一号线列车从“东方红广场”到“兰州大学”站的v⁃t图像如图所示,此两站间的距离约为 ( )
A.980 m B.1 230 m
C.1 430 m D.1 880 m
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解析:v⁃t图像与横坐标轴围成的面积表示位移,可得两站间的距离为s=(74-25+94)×20× m=1 430 m。
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4.(2025·福建漳平模拟)如图所示,某同学用s⁃t图像研究无人机从地面启动后在竖直方向上的运动情况,图像中Oa段为抛物线,其方程为 s1=,ab段和cd段为直线,其直线方程分别是s2=4t-8, s3=26-2t,则无人机( )
A.在a点对应的位移为8 m
B.在bc段的速度变化量为6 m/s
C.在bc段的加速度方向先向上后向下
D.在cd段减速上升
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解析:a点为Oa段和ab段的交点,将两段的方程联立=4ta-8,解得a点对应的时刻为ta=4 s,代入到Oa段方程中,解得a点对应的位移为sa== 8 m,故A正确; s⁃t图像的斜率表示无人机运动的速度,ab段为直线说明此过程无人机做匀速直线运动,由方程可知,此过程的速度为v1=4 m/s,cd段为直线说明此过程无人机做匀速直线运动,由方程可知,此过程的速度为v2=-2 m/s,所以在bc段的速度变化量为Δv=v2-v1=-6 m/s,故B错误;
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s⁃t图像的斜率表示无人机运动的速度,由题图可知,在bc段图线的斜率先为正值变小后为负值变大,则无人机先向上减速后向下加速,所以加速度方向始终向下,故C错误;cd段为直线且斜率为负值,说明此过程无人机匀速下降,故D错误。
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5.(2024·河北高考)篮球比赛前,常通过观察篮球从一定高度由静止下落后的反弹情况判断篮球的弹性。某同学拍摄了该过程,并得出了篮球运动的v⁃t图像,如图所示。图像中a、b、c、d四点中对应篮球位置最高的是 ( )
A.a点 B.b点
C.c点 D.d点
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解析:由题意结合图像可知,速度为负值表示篮球向下运动。当速度由负值突变为正值时,运动发生突变,速度方向变为向上并做匀减速运动,当速度由正值减小到0时,表示篮球上升到最高点,即a点对应第一次反弹后上升的最高位置,故A正确。
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6.放在水平面上的物体,在水平力F作用下开始运动,以物体静止时的位置为坐标原点,力F的方向为正方向建立s轴,物体的加速度随位移的变化图像如图所示。下列说法中正确的是 ( )
A.0~s2过程中物体做匀加速直线运动,s2~s3过
程中物体做减速直线运动
B.位移为s1时,物体的速度大小为
C.位移为s2时,物体的速度达到最大
D.物体的最大速度为
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解析: 0~s2过程中加速度不变,所以物体做匀加速直线运动,s2~s3过程中加速度方向不变,依然与速度同向,故物体仍做加速直线运动,位移为s3时,物体的速度达到最大,A、C错误;由速度与位移关系式可得=a·s,故a⁃s图像与横轴围成的面积表示,则位移为s1时物体的速度大小为,最大速度为,D错误。
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7.一个物体由静止开始沿直线运动,其加速度随时间的倒数的变化规律如图所示,则下列判断正确的是 ( )
A.物体在t0之前做加速度增大的加速运动
B.在t0时刻,物体的速度大小为a0t0
C.物体在0~t0内的速度增加量为a0t0
D.t0时刻之后,物体做减速运动
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解析:由题图可知,物体在t0之前做初速度为0、加速度为a0的匀加速直线运动,故A错误;在t0时刻,物体的速度大小v=a0t0,故B正确;物体在0~t0内的速度增加量为Δv=v-0=a0t0,故C错误;t0时刻之后,物体做加速度减小的加速运动,故D错误。
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8.杭瑞洞庭大桥是一条跨越洞庭湖湘江河道的快捷通道,如图甲所示。一辆小汽车在长度为L的一段平直桥面上提速,图乙是该车车速的平方v2与位移s的关系图像,图中b、c、L已知,则小汽车通过该平直桥面的加速度为 ( )
A. B. C. D.
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解析:由v2-=2as,将其变形为v2=+2as,所以图像的斜率即为汽车加速度的两倍,故有a==,所以D正确。
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9.(2025·福州高三模拟)如图,甲、乙、丙、丁四个描述物体做直线运动的相关图像,下列说法正确的是 ( )
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A.甲图中在0~t1时间内,A的速度始终大于B的速度
B.物体从静止开始,加速度随时间变化如乙图,物体的最大位移为1 m
C.丙图中A、B两物体从同一地点同时出发,则在t1~t2时间内A均在B的前面
D.丁图表示物体做匀变速直线运动
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解析:由于s⁃t图像的斜率代表物体的速度,由题图甲可知,在0~t1时间内,A的速度小于B的速度,故A项错误;将a⁃t图像转化成v⁃t图像,如图所示,由于v⁃t图像与时间轴围成的面积表示物体的位移,所以物体一直沿正方向运动,没有最大位移,故B项错误;
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根据题图丙可知,0~t1时间内,B的速度始终大于A的速度,则A、B之间的距离逐渐增大,而t1~t2时间内,A的速度又大于B的速度,且v⁃t图像与时间轴围成的面积表示位移,根据题图丙,t1~t2时间内两者之间的位移差大于0~t1时间内两者之间的位移差,则说明在t1~t2时间内A先在B后面,后超过B,故C项错误;由v2-=2as,整理有v2=2as+,即v2⁃s图像的斜率表示2a,题图丁图像的斜率不变,即物体的加速度不变,所以物体做匀变速直线运动,故D项正确。
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二、双项选择题
10.(2025·福建南安模拟)如图所示,直线a和曲线b分别是在平直公路上行驶的汽车a和b的位移s随时间t的变化关系,由图可知( )
A.在t1时刻,a车追上b车
B.在t2时刻,a、b两车的运动方向相反
C.在t1到t2这段时间内,b车的速率先减小后增大
D.在t1到t2这段时间内,b车的速率一直比a车的大
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解析:根据题图可知,在t1时刻之前,b车位移小于a车位移,在t1时刻b车追上a车,故A错误;根据s⁃t图像的斜率表示速度可知,在t2时刻,a、b两车的运动方向相反,故B正确;根据s⁃t图像的斜率表示速度可知,在t1到t2这段时间内,b车的速率先减小后增大,b车的速率先大于a车的速率后小于a车的速率,故C正确,D错误。
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11.(2025·广东佛山模拟)2023年11月,“双曲线二号验证火箭”在我国酒泉卫星发射中心点顺利完成垂直起降回收试验,此次试验飞行高度约178.4 m,飞行总时间50.8 s,顺利落回起点,全过程的速度随时间变化的图像如图所示,运动路径可看作直线。下列说法正确的是 ( )
A.t2时刻火箭上升到最高点
B.0~t2与t3~t4时间内的位移相同
C.0~t1时间内,火箭做匀加速运动
D.0~t4时间内,火箭的平均速度为0
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解析:0~t2时间内速度始终为正,说明火箭一直在向上运动,t2~t3时间内火箭的速度为0,说明火箭处于静止状态,t3~t4时间内速度始终为负,说明火箭一直在向下运动,故t2时刻火箭上升到最高点,故A正确;火箭在t4时刻落回起点,0~t2时间内火箭向上运动,t3~t4时间内火箭向下运动,两段位移大小相等、方向相反,故B错误;v⁃t图像的斜率的绝对值表示加速度大小,则0~t1时间内加速度大小发生变化,故不是匀加速运动,故C错误;火箭落回起点,故0~t4时间内火箭的位移为0,平均速度为0,故D正确。
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三、计算题
12.(12分)(2025·辽宁朝阳模拟)如图甲所示的“冰爬犁”是北方儿童在冬天的一种游戏用具:“上坐一人,双手握铁篙,向后下方用力点冰,则爬犁前进如飞”。在空旷的水平冰面上,有一小孩从静止开始,连续三次“点冰”后,爬犁沿直线继续滑行了s=12.96 m后停下。某同学用v⁃t图像描述了上述运动过程(三次“点冰”过程中爬犁的加速度相同),如图乙所示。运动过程中,空气阻力不计,爬犁与冰面间的动摩擦因数不变。
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(1)求爬犁减速滑行时加速度a1的大小和运动中的最大速率vmax;(5分)
答案:0.5 m/s2 3.6 m/s
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解析:爬犁滑行时水平方向只受摩擦力的作用,做匀减速直线运动,其逆过程可视为初速度为零的匀加速直线运动,因此有s=a1
将s=12.96 m、t3=(12.0-4.8)s=7.2 s代入上式,解得a1=0.5 m/s2
根据s=vmaxt3
解得最大速率为vmax=3.6 m/s。
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(2)求小孩“点冰”时爬犁加速度a2的大小。(7分)
答案:2 m/s2
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解析:小孩“点冰”加速过程中速度的增加量与滑行过程中速度的减小量相等,根据v⁃t图像可知,每次点冰时间为0.8 s,下一次点冰到上一次点冰的时间间隔为1.2 s
减速的时间共计t1=1.2 s+1.2 s+7.2 s=9.6 s
加速的时间共计t2=0.8 s+0.8 s+0.8 s=2.4 s
根据a1t1=a2t2
代入数据解得a2=2 m/s2。
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