内容正文:
第2章 匀变速直线运动
第1节 速度变化规律
1.知道什么是匀变速直线运动,知道匀变速直线运动的特点和分类。2.理解匀变速直线运动的速度公式vt=v0+at,会用匀变速直线运动的速度公式解决问题。3.理解速度—时间图像,会通过vt图像描述物体的运动,了解at图像。
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目录
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课后课时作业
任务
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任务
提示:将汽车任意两个时刻所对应的速度值代入加速度定义式,皆可得到相同的加速度值,则可认为该车在行驶时,加速度保持不变。
任务 匀变速直线运动的特点
一辆汽车从静止开始沿直线运动,若在某段路程中,每隔1 s测一个速度值,所得数据见下表。将表中两个时刻对应的速度值代入加速度定义式,可得该车加速行驶时的加速度值。你能发现什么规律?
t/s 0 1 2 3 4 5 6
v/(m·s-1) 0 2 4 6 8 10 12
任务
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1.匀变速直线运动的定义:物理学中,将物体加速度___________的直线运动称为匀变速直线运动。
2.匀变速直线运动的特点:物体在做匀变速直线运动过程中,加速度的_____和______都不改变。
3.匀变速直线运动的分类
(1)匀加速直线运动:加速度与速度_______。
(2)匀减速直线运动:加速度与速度________。
保持不变
大小
方向
同向
反向
任务
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判一判
(1)加速度大小不变的直线运动是匀变速直线运动。 ( )
(2)速度减小的运动一定是匀减速直线运动。 ( )
(3)匀变速直线运动的运动方向可能发生改变。 ( )
提示: (1)× (2)×
(3)√ 例如:物体先做匀减速直线运动,速度较小为零后,若加速度不变,则反向做匀加速直线运动,这时运动方向发生改变。
任务
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匀变速直线运动的加速度a是恒定的,请尝试推导做匀变速直线运动的物体速度随时间变化的规律。
任务 匀变速直线运动的速度—时间关系
任务
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1.匀变速直线运动的速度公式:vt=________。公式中,vt为物体在时刻___的速度,v0为初速度。
注:速度公式表明,做匀变速直线运动的物体,在时刻t的速度vt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at。
2.速度公式的进一步理解
(1)通常设v0的方向为正方向,当a>0时,a与v0的方向______,物体做_____________运动;当a<0时,a与v0的方向______,物体做_____________运动。
(2)若v0=0,速度公式变为vt=__,vt与a总是_____,物体做__________运动。
v0+at
t
相同
匀加速直线
相反
匀减速直线
at
同向
匀减速直线
任务
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判一判
(1)速度公式vt=v0+at适用于任何直线运动。 ( )
(2)由vt=v0+at可知,物体的初速度越大,加速度越大,则末速度越大。 ( )
提示:(1)× (2)×
任务
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某同学在操场的直跑道上做接力跑训练。拿到接力棒之前,该同学以1 m/s的速度慢跑,拿到接力棒之后,立刻以2 m/s2的加速度做匀加速直线运动。该同学拿到接力棒后3 s末的速度大小为 ( )
A.6 m/s B.7 m/s
C.5 m/s D.4 m/s
解析 选定该同学的初速度方向为正方向,由题意可知,v0=1 m/s,t=3 s,a=2 m/s2。根据匀变速直线运动的速度公式得vt=v0+at=1 m/s+2 m/s2×3 s=
7 m/s,所以该同学拿到接力棒后3 s末的速度大小是7 m/s。
任务
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匀变速直线运动的速度怎么求?要注意什么?
提示:匀变速直线运动的速度用公式vt=v0+at求,要注意其矢量性,即具体物理量的正负。
任务
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公式vt=v0+at是矢量式,解题的时候一定要先选择正方向,方向与正方向相同的为正值,与正方向相反的为负值。速度是矢量,结果包含大小和方向两项。
任务
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[跟进训练] 在足够长的光滑斜面上,有一物体以10 m/s的初速度沿斜面向上运动,如果物体的加速度大小始终为5 m/s2,方向始终沿斜面向下,那么经过3 s物体的速度大小和方向分别是 ( )
A.25 m/s,沿斜面向上 B.5 m/s,沿斜面向下
C.5 m/s,沿斜面向上 D.25 m/s,沿斜面向下
解析:选沿斜面向上为正方向(即以初速度方向为正方向),由于加速度方向沿斜面向下,则a=-5 m/s2。再将v0=10 m/s、a=-5 m/s2、t=3 s代入公式vt=v0+at,得vt=10 m/s+(-5 m/s2)×3 s=-5 m/s。即速度大小为5 m/s,方向沿斜面向下(物体速度先减小为零再返回),故B正确。
任务
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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.24 m/s B.20 m/s
C.4 m/s D.0
任务
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(1)刹车问题要注意什么?
提示:汽车速度减为零后停止,速度不会再发生变化。
(2)解决刹车问题时第一步要做的是什么?
提示:计算刹车时间。
任务
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对于刹车问题,若要求解刹车一段时间后的末速度,也可以不求刹车时间,直接将已知时间代入速度公式vt=v0+at求vt,以v0方向为正方向,若vt为正值或零,则车未停下或恰好停下,计算结果合理;若vt为负值,即车反向运动,计算结果不合理,说明车已停止一段时间。
任务
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[跟进训练] 新能源汽车作为战略性新兴产业,代
表汽车产业新的发展方向,对减少空气污染、推动交通运
输行业转型升级具有积极意义。如图所示,某品牌新能源
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末速度为多少?
(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?
答案:(1)18.5 m/s (2)6.5 m/s (3)0
任务
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任务
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1.vt图像:选时间t为________,速度v为_______,在坐标纸上描出相应的点,将各点用__________连接起来得到的图像,描述了物体的速度与时间的关系,通常称为速度—时间图像(vt图像)。匀变速直线运动的vt图像是一条___________,如图1所示。
根据vt图像,可直观了解物体运动速度随时间变化
的规律,可较准确地判断某时刻物体的___________或物体
达到某速度所需要的______,还可求出物体的________。
任务 匀变速直线运动的vt图像和at图像
横坐标
纵坐标
平滑曲线
倾斜的直线
运动速度
时间
加速度
任务
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2.at图像:选时间t为横坐标、加速度a为纵坐标,可得到加速度随_____变化的图像,通常称为at图像。匀变速直线运动的at图像为__________________,如图2所示。
时间
平行于时间轴的直线
任务
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1.通过vt图像得到的基本信息
(1)纵截距:表示物体的初速度。如图甲v0=1 m/s。
(2)横截距:表示物体在开始计时后过一段时间才开始运动,或物体经过一定时间速度变为零。如图甲t=1 s时速度为0。
任务
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(3)图线上的点相对于时间轴的位置:表示物体速度的大小和方向。图线上的点到时间轴的距离越远,表示速度的大小越大;图线上的点在时间轴的上方表示速度为正方向,在时间轴的下方表示速度为负方向。如图乙,t=1 s前速度为正方向且减小,t=1 s后速度为负方向且增大。
(4)图线拐点:表示加速度突变。如图甲,t=1 s前加速度为负方向,t=1 s后加速度为正方向。
(5)两图线的交点:表示两物体此时刻具有相同的速度。如图丙t=10 s时a、b速度相等。
任务
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斜率应该由坐标系的标度求出,不能由直线倾角的正切求出。
任务
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下列图像中,表示物体做匀加速直线运动的是 ( )
解析 图A表示物体静止;图B、C表示物体做匀速直线运动;图D表示物体做匀加速直线运动。故D正确。
任务
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如图所示是某物体运动的vt图像。下列说法正确的是 ( )
A.该物体的运动方向一直不变
B.3 s末物体加速度开始改变
C.0~8 s,物体先沿正方向做匀减速运动,后沿负方
向做匀加速运动
D.该物体的加速度为a=10 m/s2
任务
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任务
27
怎样通过vt图像得出加速度?
任务
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课后课时作业
知识点一 匀变速直线运动的特点
1.关于做匀变速直线运动的物体,下列说法中正确的是 ( )
A.加速度随时间均匀变化 B.速度保持不变
C.加速度保持不变 D.速度随时间均匀增大
解析:匀变速直线运动中物体的加速度是不变的,故A错误;匀变速直线运动中物体的加速度保持不变,速度随时间是变化的,故B错误,C正确;只有做匀加速直线运动的物体速度才随时间均匀增大,故D错误。
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课后课时作业
2.下列关于匀变速直线运动的说法正确的是 ( )
A.匀加速直线运动的速度一定与时间成正比
B.匀减速直线运动就是加速度为负值的运动
C.匀变速直线运动的速度随时间均匀变化
D.速度先减小再增大的运动一定不是匀变速直线运动
解析:匀加速直线运动的速度随时间均匀增大,二者呈线性关系,但不一定成正比关系,A错误;加速度的正、负仅表示加速度的方向与规定的正方向相同还是相反,与是否为匀减速直线运动无关,B错误;匀变速直线运动的速度随时间均匀变化,C正确;初速度与加速度方向相反的匀变速直线运动,速度先减小后反向增大,D错误。
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课后课时作业
知识点二 匀变速直线运动的速度—时间关系
3.滑雪运动员在山坡坡顶以5 m/s的速度沿山坡做匀加速直线运动,加速度为2 m/s2,第5秒末到达山坡坡底,则运动员到达山坡坡底的速度为 ( )
A.10 m/s,方向沿山坡向上 B.10 m/s,方向沿山坡向下
C.15 m/s,方向沿山坡向上 D.15 m/s,方向沿山坡向下
解析:设沿山坡向下为正方向,根据匀变速直线运动的速度公式,运动员到达山坡坡底的速度为vt=v0+at=5 m/s+2 m/s2×5 s=15 m/s,vt>0,则速度大小为15 m/s,方向沿山坡向下。故选D。
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课后课时作业
4.一辆沿直线匀加速行驶的汽车,经过路旁两根电线杆共用5 s时间,汽车的加速度为2 m/s2,它经过第2根电线杆时的速度为15 m/s,则汽车经过第1根电线杆时的速度为 ( )
A.2 m/s B.10 m/s
C.2.5 m/s D.5 m/s
解析:由题意可知t=5 s,vt=15 m/s,a=2 m/s2,根据vt=v0+at,得v0=vt-at=15 m/s-2 m/s2×5 s=5 m/s,D正确。
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课后课时作业
6.(多选)假若速度的单位为m/s,时间的单位为s,某段时间内火箭沿直线运动的速度随时间变化的数值关系为vt=20t+4,由此可知这
段时间内 ( )
A.火箭做匀加速直线运动
B.火箭的初速度为20 m/s
C.火箭的加速度为4 m/s2
D.在3 s末,火箭的瞬时速度为64 m/s
解析:在这段时间内,火箭的速度随时间均匀增大,故火箭做匀加速直线运动,A正确;由匀变速直线运动的速度公式vt=v0+at知,这段时间内火箭的初速度v0=4 m/s,加速度a=20 m/s2,B、C错误;将时间t=3 s代入vt=4 m/s+20 m/s2·t得,在3 s末,火箭的瞬时速度vt=64 m/s,D正确。
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课后课时作业
7.以12 m/s的速度在水平路面上沿直线行驶的汽车,紧急刹车后做匀减速直线运动,已知加速度大小为6 m/s2,则紧急刹车后3 s末汽车的速度为 ( )
A.-6 m/s B.0
C.6 m/s D.30 m/s
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课后课时作业
知识点三 vt图像的理解
8.(多选)一物体做直线运动,下图表示该物体做匀变速直线运动的是 ( )
解析:A图是vt图像,速度均匀变化,加速度不变,物体做匀变速直线运动;B图是st图像,位移均匀增大,由s=vt可知速度不变,物体做匀速直线运动;C图是at图像,加速度不为零,且不变,物体做匀变速直线运动;D图是vt图像,加速度大小、方向均变化,物体做的不是匀变速直线运动。故A、C符合题意。
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课后课时作业
9.如图所示为A、B两个物体做匀变速直线运动的vt
图像。
(1)A、B各做什么运动?求其加速度;
(2)两图线的交点的意义是什么?此时对应的时刻和速
度分别是什么?
(3)求1 s末A、B的速度。
答案:(1)A沿规定的正方向做匀加速直线运动,加速度大小为1 m/s2,方向与规定的正方向相同;B先沿规定的正方向做匀减速直线运动,再做反向的匀加速直线运动,加速度大小为2 m/s2,方向与规定的正方向相反
(2)A、B的速度相等 2 s末 4 m/s
(3)A的速度为3 m/s,方向与规定的正方向相同;B的速度为6 m/s,方向与规定的正方向相同
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10.一物体做匀变速直线运动,初速度大小为15 m/s,方向向东,第5 s末的速度大小为10 m/s,方向向西,则物体开始向西运动的时刻为 ( )
A.第2 s末 B.第3 s末
C.第5 s末 D.第6 s末
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课后课时作业
11.(多选)物体做匀加速直线运动,已知第1 s末的速度是6 m/s,第2 s末的速度是8 m/s,则下面结论正确的是 ( )
A.物体零时刻的速度是3 m/s
B.物体的加速度是2 m/s2
C.任何1 s内的速度变化都是2 m/s
D.每1 s初的速度比前1 s末的速度大2 m/s
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课后课时作业
12.如图所示为某质点的vt图像,则下列说法中正确的是( )
A.在0~6 s内,质点做匀变速直线运动
B.在12 s末,质点的速度为3 m/s
C.在4 s末,质点向相反方向运动
D.在12 s末,质点的加速度为-1 m/s2
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13.一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,也可以在天空中飞行。已知该飞行汽车在跑道上做匀加速直线运动的加速度大小为2 m/s2,速度达到40 m/s后离开地面。离开跑道后做匀加速直线运动的加速度为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
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14.(多选)一辆汽车拟从甲地开往乙地,先由静止起动做匀加速直线运动,然后保持匀速直线运动,最后做匀减速直线运动,当速度减为0时刚好到达乙地。从汽车起动开始计时,下表给出某些时刻汽车的瞬时速度,据表中的数据通过分析、计算可以得出( )
A.汽车匀加速直线运动经历的时间为4.0 s
B.汽车匀加速直线运动经历的时间为5.0 s
C.汽车匀减速直线运动经历的时间为2.0 s
D.汽车匀减速直线运动经历的时间为4.0 s
时刻/s 1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 9.5 10.5
速度/ (m·s-1) 3.0 6.0 9.0 12 12 9.0 3.0
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提示:根据加速度的定义式a= eq \f(vt-v0,t)可得vt=v0+at。式中v0为初速度,vt为物体在时刻t的速度。
解析 取初速度方向为正方向,则v0=72 km/h=20 m/s,加速度a=-4 m/s2,汽车减速到停止的时间t= eq \f(0-v0,a)= eq \f(0-20 m/s,-4 m/s2)=5 s<6 s,所以刹车6 s后汽车的速度为0。
解析:(1)取初速度方向为正方向,
则v0= eq \f(45,3.6) m/s=12.5 m/s,a1=0.6 m/s2,
所以10 s末汽车的速度vt1=v0+a1t=12.5 m/s+0.6 m/s2×10 s=18.5 m/s。
(2)a2=-0.6 m/s2,汽车减速到停止的时间t1= eq \f(0-v0,a2)= eq \f(0-12.5 m/s,-0.6 m/s2)≈20.83 s>10 s,
所以10 s末汽车的速度vt2=v0+a2t=12.5 m/s+(-0.6 m/s2)×10 s=6.5 m/s。
(3)a3=-3 m/s2,由vt=v0+at可知,汽车减速到停止的时间t2= eq \f(0-v0,a3)= eq \f(0-12.5 m/s,-3 m/s2)≈4.17 s<10 s
所以10 s末汽车的速度为0。
2.根据vt图像求加速度的进一步理解
通过vt图像,根据a= eq \f(vt-v0,t)= eq \f(Δv,Δt)能从图线的倾斜程度(斜率)判断加速度。斜率的绝对值表示加速度的大小;斜率的正负表示加速度的方向,速度图线向上斜加速度为正,向下斜加速度为负。匀变速直线运动的vt图像是一条倾斜的直线,可以任意截取一段,根据比值 eq \f(Δv,Δt)计算加速度,如图丁所示。非匀变速直线运动的图像不是直线,Δt→0时, eq \f(Δv,Δt)即为瞬时加速度(即图线上某点的切线的斜率)。
解析 根据vt图像的斜率表示加速度,可知在0~8 s运动过程中,该物体的加速度保持不变;又vt图像纵坐标的正负表示速度方向,则物体在0~3 s内沿正方向做匀减速直线运动,3~8 s内沿负方向做匀加速直线运动,即3 s末物体的运动方向发生改变,故A、B错误,C正确。由图像可知,该物体的加速度为a= eq \f(vt-v0,t)= eq \f(-50 m/s-30 m/s,8 s)=-10 m/s2,故D错误。
提示:在图像上任取两点(t1,v1)、(t2,v2),加速度a= eq \f(vt-v0,t)= eq \f(Δv,Δt)= eq \f(v2-v1,t2-t1),正负号表示加速度方向与规定的正方向相同或相反。
5.(多选)给滑块一初速度v0使它沿光滑斜面向上做匀减速运动,加速度大小为 eq \f(g,2)(g为常量),当滑块速度大小为 eq \f(v0,2)时,所用时间可能是( )
A. eq \f(v0,2g)
B. eq \f(v0,g) C. eq \f(3v0,g)
D. eq \f(3v0,2g)
解析:当滑块速度大小为 eq \f(v0,2)时,其方向可能与初速度方向相同,也可能与初速度方向相反,因此要考虑两种情况。规定初速度方向为正方向,vt= eq \f(v0,2)或vt=- eq \f(v0,2),a=- eq \f(\a\vs4\al(g),2),代入公式t= eq \f(vt-v0,a)得,t= eq \f(v0,g)或t= eq \f(3v0,g),故选B、C。
解析:由题意可知vt=0,v0=12 m/s,a=-6 m/s2,由vt=v0+at可得汽车从紧急刹车开始到停止所用的时间为t0= eq \f(0-v0,a)= eq \f(0-12 m/s,-6 m/s2)=2 s,即刹车2 s后汽车停止运动,故汽车在紧急刹车后3 s末的速度为0。故B正确。
解析:(1)A物体沿规定的正方向做匀加速直线运动,加速度aA= eq \f(vAt-vA0,tA)= eq \f(8 m/s-2 m/s,6 s)=1 m/s2,方向与规定的正方向相同;
B物体前4 s沿规定的正方向做匀减速直线运动,4 s后沿反方向做匀加速直线运动,加速度aB= eq \f(vBt-vB0,tB)= eq \f(0-8 m/s,4 s)=-2 m/s2,方向与规定的正方向相反。
(2)两图线的交点表示此时刻两个物体的速度相同。
A的速度vA=vA0+aAt=(2+t) m/s,
B的速度vB=vB0+aBt=(8-2t) m/s,
由vA=vB=v,代入数据得t=2 s,v=4 m/s。
(3)1 s末A物体的速度为vA1=vA0+aAt1=2 m/s+
1 m/s2×1 s=3 m/s,方向与规定的正方向相同;
1 s末B物体的速度vB1=vB0+aBt1=8 m/s+(-2 m/s2)×1 s=6 m/s,方向与规定的正方向相同。
解析:规定初速度的方向为正方向,物体的加速度为a= eq \f(vt-v0,t)= eq \f(-10 m/s-15 m/s,5 s)=-5 m/s2,则物体速度减为零所用的时间为t′= eq \f(0-v0,a)= eq \f(0-15 m/s,-5 m/s2)=3 s,可知物体开始向西运动的时刻为第3 s末,B正确。
解析:物体的加速度a= eq \f(v2-v1,t)= eq \f(8 m/s-6 m/s,1 s)=2 m/s2,设零时刻的速度为v0,则由v1=v0+at1得v0=v1-at1=6 m/s-2 m/s2×1 s=4 m/s,故A错误,B正确。由Δv=aΔt可得任何1 s内的速度变化均为2 m/s,故C正确。每1 s初与前1 s末是同一个时刻,速度相同,故D错误。
解析:由a= eq \f(Δv,Δt)可知,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4 s末加速度方向发生了变化,但速度方向不变,C错误。在0~6 s内,加速度不恒定,质点不是做匀变速直线运动,A错误。在10~14 s内质点做加速度为-1 m/s2的匀减速直线运动,D正确。由公式vt=v0+at可以得出,12 s末质点的速度为v12=v10+at=4 m/s+(-1 m/s2)×2 s=2 m/s(或12 s末处于10~14 s的中间时刻,对应的数据点在10~14 s图线的中点,则速度应为2 m/s),B错误。
解析:在跑道上匀加速运动的时间t1= eq \f(Δv1,a1)=20 s,离开跑道后速度由40 m/s增加到200 m/s,加速度为5 m/s2,加速运动时间t2= eq \f(Δv2,a2)= eq \f(200 m/s-40 m/s,5 m/s2)=32 s,所以总时间为t=t1+t2=52 s,B正确。
解析:根据表中数据可以得出,汽车在5.0 s时刻做匀加速运动或匀速运动,在7.0 s时刻做匀减速运动或匀速运动,且汽车加速时的加速度a1= eq \f(6.0 m/s-3.0 m/s,2.0 s-1.0 s)=3 m/s2,因为汽车加速到12 m/s所用的时间t1= eq \f(12 m/s-0,3 m/s2)=4.0 s<5.0 s,所以汽车在4.0 s时速度便已达到12 m/s,则汽车匀速直线运动时的速度v=12 m/s,所以汽车匀加速直线运动经历的时间为4.0 s,故A正确,B错误;汽车减速时的加速度a2= eq \f(3.0 m/s-9.0 m/s,10.5 s-9.5 s)=-6 m/s2,所以汽车匀减速直线运动经历的时间t2= eq \f(0-12 m/s,-6 m/s2)=2.0 s,故C正确,D错误。
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