内容正文:
第4节 加速度
【核心素养目标】
物理观念
掌握加速度的物理概念、意义,理解加速度的矢量性。
科学思维
通过对速度、速度的变化量、速度的变化率三者的分析比较,提高学生的比较、分析问题以及解决问题的能力。
科学探究
经历生活中实际运动物体速度变化快慢的过程,体会类比方法在物理观念探究推理中的作用。
科学态度与责任
培养学生善于区分事物的能力及学生的抽象思维能力,增强学生的交通安全意识。
一、加速度
1.定义:物体运动速度的变化跟发生这一变化所用时间之比,称为物体运动的加速度,用字母a表示。
2.定义式:a=,式中v0表示物体运动的初速度,vt表示物体运动的末速度,vt-v0表示物体的速度变化。
3.单位:在国际单位制中,加速度的单位是“米每二次方秒”,符号是m/s2。
4.物理意义:表示物体运动速度变化快慢的物理量。
5.加速度的矢量性:加速度既有大小,又有方向,是矢量。
二、加速度的方向与速度方向的关系
1.加速度的方向
加速度是矢量,不仅有大小,也有方向,其方向与速度变化量的方向相同。
2.加速度方向与速度方向的关系
物体做加速直线运动时,加速度与速度的方向相同,物体做减速直线运动时,加速度与速度的方向相反。
1.判断正误
(1)加速度很大时,速度可能很小。 (√)
(2)如果速度很大,则加速度一定很大。 (×)
(3)如果速度变化量很大,则加速度一定很大。 (×)
(4)如果速度为零,则加速度一定也为零。 (×)
(5)加速度是矢量,其正、负代表加速度的方向。 (√)
(6)由公式a=可知,加速度a的大小与Δv成正比,与Δt成反比。 (×)
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2.链接实景
如图所示。图甲:以8 m/s的速度飞行的蜻蜓能在0.4 s内停下来。
图乙:火箭发射时,10 s内速度由0增加到100 m/s。
请思考:
(1)蜻蜓、火箭的加速度方向与速度方向的关系有何不同?
(2)蜻蜓与火箭哪个物体的加速度较大?
提示:(1)蜻蜓做减速运动,其加速度方向与速度方向相反;火箭做加速运动,其加速度方向与速度方向相同。
(2)蜻蜓的加速度大小a1= m/s2=20 m/s2,火箭的加速度大小a2= m/s2=10 m/s2,故蜻蜓的加速度较大。
知识点一 加速度的理解与计算
1.如图所示,在体育赛事中,我们说“某辆赛车性能不佳,起步太‘慢’”,又说“某同学身体素质好,有很好的爆发力,起跑‘快’”。以上说法中的“快”与“慢”的含义是什么?
提示:这里的“快”与“慢”指的是运动员、赛车的速度增加的快与慢,表示这种“快”与“慢”的物理量为加速度。以上说法表明:赛车在起步时加速度较小,那位同学在起跑时加速度较大。
2.下表列出了三种车辆起步后的速度变化情况,三种车辆的加速度分别是多少?
初速度
时间
末速度
自行车
0
5 s
14 m/s
小型轿车
0
20 s
30 m/s
旅客列车
0
100 s
40 m/s
提示:三种车辆的加速度分别是
自行车a1== m/s2=2.8 m/s2
小型轿车a2== m/s2=1.5 m/s2
旅客列车a3== m/s2=0.4 m/s2。
1.对加速度的认识
(1)加速度是速度变化量与所用时间的比值,加速度越大,速度变化越快。但它不一定是加速,也可能是减速。
(2)加速度与速度大小没有必然联系,速度为零时可能有加速度,速度很大时也可能没加速度。
(3)不是速度变化大加速度就大,且速度变时加速度不一定变。
(4)注意加速度公式常有几种写法:a=,a=,a=,其本质都是速度的变化与对应时间的比值。vt表示t时刻的速度(有时又叫末速度),v0表示物体的初速度。
2.对公式a=中各物理量大小的认识
(1)速度(v)大:表示物体运动得快,位置变化快,但速度的变化(vt-v0)不一定大。如飞机在高空匀速飞行时,速度v很大,而速度的变化却为零,即vt-v0=0。
(2)速度变化(Δv)大:表示速度的变化(Δv=vt-v0)大,但速度变化不一定快。如果所需的时间Δt长,也许速度变化反而还慢些。
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(3)大:表示相同时间内速度变化大,即速度变化快,就是加速度大。速度变化的快慢不仅与速度变化量的大小有关,还与发生这样变化所用时间的长短有关。又叫速度的变化率。
3.公式a=是矢量式,应用时一定要规定正方向。
(多选)对于加速度的理解,下列说法正确的是( )
A.物体的速度变化越快,它的加速度就越大
B.物体的速度为零时,加速度就为零
C.物体的加速度很大时,速度不一定很大
D.物体的速度变化率越大,它的加速度就越大
答案:ACD
解析:加速度是反映速度变化快慢的物理量,速度变化越快,加速度越大,故A正确;物体的速度为零,加速度不一定为零,比如汽车启动的初始时刻,速度为零,加速度不为零,故B错误;加速度很大,速度变化很快,但是速度不一定大,故C正确;a=可以理解为加速度等于速度的变化率,物体的速度变化率越大,加速度越大,故D正确。
计算下列各种条件下的加速度:
(1)显像管内,电子从阴极射到阳极的过程中,速度由零增加到108 m/s,历时2×10-5 s,其加速度为 ;
(2)子弹击中靶子时,在0.1 s内速度从200 m/s降到零,其加速度为 ;
(3)火车出站时,可在20 s内使速度从10 m/s增大到1 200 m/min,其加速度为 ;
(4)以2 m/s的速度沿直线运动的足球,被运动员“飞起一脚”使其在0.2 s内改为以4 m/s反向飞出,则足球被踢时的加速度为 。
答案:见解析
解析:均以初速度方向为正方向
(1)a1===5×1012 m/s2,方向沿初速度方向;
(2)a2===-2 000 m/s2,方向与初速度方向相反,大小为2 000 m/s2;
(3) vt=1 200 m/min=20 m/s,
a3===0.5 m/s2,方向沿初速度方向;
(4)a4===-30 m/s2,方向与初速度方向相反,大小为30 m/s2。
加速度的计算思路
1.规定正方向。一般选初速度v1的方向为正方向。
2.判定v2的方向,确定v2的符号。
3.利用公式a=计算。要注意速度反向情况下,速度变化量的计算。
针对练1.关于加速度表达式a=的下列说法,正确的是( )
A.加速度a与Δv成正比,与Δt成反比
B.Δv表示在Δt时间内物体速度变化的快慢
C.利用a=求得的加速度是Δt时间内的瞬时加速度
D.表示速度变化的快慢
答案:D
解析:a=是加速度的定义式,加速度大小与Δv、Δt无关,A错误;Δv表示在Δt时间内物体速度的变化量,B错误;利用a=求得的加速度是Δt时间内的平均加速度,只有当Δt→0时,求得的加速度才是瞬时加速度,C错误;加速度是描述速度变化快慢的物理量,因此表示速度变化的快慢,D正确。故选D。
针对练2.小球以v1=3 m/s的速度水平向右运动,碰到墙壁经t=0.01 s后以v2=2 m/s的速度沿同一直线反弹。小球在这0.01 s内的平均加速度为( )
A.100 m/s2,方向向右
B.100 m/s2,方向向左
C.500 m/s2,方向向左
D.500 m/s2,方向向右
答案:C
解析:规定水平向右为正方向。根据加速度的定义式a=,得a= m/s2=-500 m/s2,负号表示加速度方向与正方向相反,即方向水平向左。故C正确。
知识点二 速度、速度的变化量和加速度的关系
(1)“上海磁浮列车的速度可达431 km/h[如图(a)],它的加速度一定很大。”这一说法对吗?为什么?
(2)运载火箭在刚点火的短时间内速度很小[如图(b)],它的加速度一定很小吗?
提示:(1)上海磁悬浮列车的速度可达431 km/h,如果以这个速度匀速行驶,此时列车的加速度为零。故此说法是错误的。
(2)运载火箭在点火后的短时间内,速度很小,说明这段时间内速度的变化量很小,但时间也很短,由公式a=可知,其加速度也不一定很小,而实际情况是运载火箭在点火后的短时间内,其加速度很大。
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速度、速度变化量、加速度的比较
速度v
速度变化量Δv
加速度a
定义
位移与所用时间的比值
末速度与初速度的差值
速度变化量与时间的比值
表达式
v=
Δv=v2-v1
a=
单位
m/s
m/s
m/s2
方向
为物体运动的方向,与a的方向不一定相同
由初、末速度决定,与a的方向相同,与v的方向不一定相同
与Δv的方向相同,与v的方向不一定相同
物理
意义
表示物体运动的快慢和方向
表示物体速度变化的大小和方向
表示物体速度变化的快慢和方向
大小
关系
三个物理量的大小没有必然联系,其中一个物理量较大时,其余两个物理量不一定较大
(多选)对下列运动情境中加速度的判断正确的是( )
A.汽车在某时刻速度为零,故加速度一定为零
B.轿车紧急刹车,速度变化很快,所以加速度很大
C.点火后即将升空的火箭,只要火箭的速度为零,其加速度一定为零
D.高速行驶的磁悬浮列车,速度很大,但加速度不一定很大
答案:BD
解析:汽车在某时刻速度为零,加速度可能不为零,如在启动的瞬间,速度为零,加速度不为零,故A错误;轿车紧急刹车,速度变化很快,所以加速度很大,故B正确;点火后即将升空的火箭,虽然开始时速度为零,但其加速度不为零,否则火箭就不可能起飞,故C错误;高速行驶的磁悬浮列车,速度很大,但如果做匀速直线运动,则加速度为零,故D正确。故选BD。
对速度、速度变化量、加速度的两点提醒
1.物体做直线运动,用Δv=v2-v1求速度变化量的大小时,应先按选取的正方向确定v1、v2的正负值。
2.加速度a与速度v无直接关系,与速度变化量Δv也无直接关系。v大,a不一定大;Δv大,a也不一定大。
针对练.(多选)关于速度、速度的变化量和加速度的关系,下列说法中正确的是( )
A.若速度变化量的方向为正,则加速度的方向为正
B.物体加速度增大,速度反而可能越来越小
C.物体的速度为零时,其加速度也一定为零
D.物体的速度减小时,其加速度也一定减小
答案:AB
解析:由加速度的定义可知,它的方向与速度变化量的方向相同,故速度变化量的方向为正时,加速度的方向为正,A正确;当物体加速度与物体的运动方向相反时,物体做减速运动,加速度增大,速度会越来越小,B正确;物体的速度为零时,其加速度不一定为零,例如汽车启动的瞬间,速度为零,加速度不为零,C错误;物体的速度减小时,其加速度不一定减小,例如当加速度与速度反向时,加速度增大,速度也减小,D错误。故选AB。
知识点三 判断物体是加速还是减速的方法
(1)如图所示的甲乙两种情境中,小车的速度如何变化?为什么?
(2)若甲图中小车的加速度逐渐减小,速度一定减小吗?
提示:(1)图甲中加速度的方向与速度方向相同,小车速度越来越大,做加速运动,图乙中加速度的方向与速度方向相反,小车速度越来越小,做减速运动。
(2)不一定。若加速度a与初速度v0同向,则物体的速度一定增加,这时若a逐渐减小,说明v增加得慢了。
1.加速度的方向决定物体是加速还是减速
(1)加速度与速度同向时,物体做加速运动。
(2)加速度与速度反向时,物体做减速运动。
2.加速度的大小决定物体速度变化的快慢
3.两点说明
(1)物体存在加速度,表明物体在做变速运动,但不一定做加速运动。
(2)物体做加速运动还是做减速运动,不能根据加速度的正、负来判断,要根据加速度与速度方向的关系来判断。
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若汽车的加速度方向与速度方向一致,当加速度减小时,则( )
A.汽车的速度在减小
B.汽车的速度先增大后减小
C.当加速度减小到零时,汽车静止
D.当加速度减小到零时,汽车的速度达到最大
答案:D
解析:加速度方向与速度方向一致时,汽车做加速直线运动,速度一直增加,选项A、B错误。加速度减
小说明速度变化越来越慢,但只要加速度不为零,速度就一直增加,当加速度减小到零时,汽车速度达到最大,C错误,D正确。
物体运动性质的判断技巧
1.物体做加速运动还是做减速运动,不能根据加速度的正负来判断,例如:当加速度为负值,速度为正值时,速度就减小,当加速度与速度均为负值时,速度就增加。
2.加速度与运动性质关系记忆口诀:
速度变化快和慢,加速度大小来体现;
a大速度变化快,a小速度变化慢;
a和v有方向,v增v减它们管;同向加速反向减,二者关系记心间。
针对练.(多选)物体沿直线运动,根据给出的速度和加速度的正负,对下列物体的运动性质的判断正确的是( )
A. v0<0,a>0,物体先做加速运动,后做减速运动
B. v0<0,a<0,物体做加速运动
C. v0>0,a<0,物体先做减速运动,后做加速运动
D. v0>0,a=0,物体做匀速直线运动
答案:BCD
解析:v0与a同向时,做加速直线运动,v0与a反向时,做减速直线运动,速度减为零后,反向做加速直线运动,a=0时,做匀速直线运动。故选项B、C、D正确。
1.(多选)核潜艇是国家的战略利器,也是国家安全的重要保证。某核潜艇在充满未知的深海独自执行任务,做变速运动,关于核潜艇在变速运动过程中的速度、加速度、速度变化量的关系,下列说法中正确的是( )
A.核潜艇某时刻的加速度等于零,但速度可以不为零
B.核潜艇的加速度方向向东,速度变化量的方向可以向西
C.核潜艇做直线运动,后一阶段的加速度比前一阶段小,但速度可以比前一阶段大
D.核潜艇的速度变化量很大,但加速度可能很小
答案:ACD
解析:根据a=知B错误,D正确;再由a与v关系知A、C均正确。
2.一物体做变速直线运动,下列说法正确的是( )
A.加速度越大,物体运动越快
B.加速度越大,物体速度变化越大
C.若加速度大小为1 m/s2,则物体的速度每秒变化1 m/s
D.若加速度大小为1 m/s2,则物体的位移每秒变化1 m
答案:C
解析:加速度表示速度变化的快慢,加速度越大,速度变化越快,但速度不一定越大,故A、B错误;根据加速度的定义式a=可得,若加速度大小为1 m/s2,则物体的速度每秒变化1 m/s,故C正确,D错误。故选C。
3.篮球以10 m/s的速度水平撞击篮板后,以8 m/s的速度反向弹回。若篮球与篮板接触的时间为0.1 s,在该撞击过程中( )
A.篮球速度变化量的大小为2 m/s
B.篮球速度变化量的方向与初速度方向相同
C.篮球加速度的大小为20 m/s2
D.篮球加速度的方向与初速度方向相反
答案:D
解析:设初速度方向为正方向,则篮球速度变化量为Δv=v2-v1=(-8 m/s)-10 m/s=-18 m/s,负号表示方向与初速度方向相反,故A、B错误;篮球加速度为a== m/s2=-180 m/s2,负号表示方向与初速度方向相反,故C错误,D正确。故选D。
4.如图甲所示,一舰载机在航母甲板上直线弹射起飞过程中,在1 s内速度大小从零变为10 m/s;如图乙所示,一足球在草地上做直线运动过程中,在8 s内速度大小从20 m/s减为零。对于上述两个过程,下列说法不正确的是( )
A.舰载机的速度变化量比足球的速度变化量大
B.舰载机的平均加速度比足球的平均加速度大
C.题述中的“10 m/s”“20 m/s”均指的是瞬时速率
D.足球运动过程中的速度方向与加速度方向相反
答案:A
解析:题述过程中,舰载机的速度变化量大小为10 m/s,足球的速度变化量大小为20 m/s,舰载机的速度变化量比足球的速度变化量小,故A错误;舰载机的平均加速度大小为a==10 m/s2,足球的平均加速度大小为a'==2.5 m/s2,舰载机的平均加速度比足球的平均加速度大,故B正确;题述中的“10 m/s”“20 m/s”均指的是瞬时速率,故C正确;足球做减速运动,因此速度方向与加速度方向相反,故D正确。故选A。
课时测评4 加速度
(时间:30分钟 满分:60分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(选择题1-11题,每题4分,共44分)
1.(多选)由加速度的定义式a=可知( )
A.a与Δv成正比,与Δt成反比
B.物体的加速度大小可根据Δv与Δt的比值来计算
C.a的方向与Δv的方向相同,与v的方向无关
D.叫速度的变化率,就是加速度
答案:BCD
解析:公式a=是加速度的定义式,不是决定式,加速度a是采用比值定义法定义的,所以a与Δv、Δt不存在比例关系,只是a的大小可根据Δv与Δt的比值计算出来,且a的方向与Δv的方向相同,与v的方向无关,A错误,B、C正确;是速度的变化率,根据加速度的定义可知,就是加速度,故D正确。
2.某同学在现场观看F1赛车表演时,看到赛车一闪而过,感叹“真快啊!”;当到了终点时,赛车突然刹车停住,某同学又感叹“真快啊!”。下列说法正确的是( )
A.第一个“真快”是描述加速度大;第二个“真快”是描述速度大
B.第一个“真快”是描述速度大;第二个“真快”是描述速度大
C.第一个“真快”是描述速度大;第二个“真快”是描述加速度大
D.第一个“真快”是描述加速度大;第二个“真快”是描述加速度大
答案:C
解析:第一个“真快”是描述赛车运动的快,即速度大;第二个“真快”是描述赛车停下来的时间很短,加速度大,故选项C正确。
3.关于物体运动的速度、速度变化量、加速度之间的关系,下列说法正确的是( )
A.物体运动的速度越大,其速度变化量一定越大
B.若加速度随时间减小,则物体的速度一定在减小
C.物体的加速度方向保持不变,则速度方向也保持不变
D.相同时间内,物体运动的速度变化量越大,其加速度一定越大
答案:D
解析:物体运动的速度越大,其速度变化量不一定越大,还可能为零,如匀速直线运动,故A错误;如果加速度和速度同向,物体做加速运动,若加速度随时间减小,则物体的速度仍在增大,故B错误;物体的加速度方向保持不变,物体如果做减速运动,可能先减速到零,再反向加速,则速度方向可能变化,故C错误;相同时间内,物体运动的速度变化量越大,其速度变化就越快,所以加速度一定越大,故D正确。故选D。
4.掷铅球是一个以力量为基础,以速度为核心的田径投掷项目。某运动员在比赛中摆好准备姿势后,用0.3 s时间将5 kg的铅球以15 m/s的速度掷出,取得了10.2 m的好成绩,拿到了第一名。在投掷过程中,铅球的平均加速度的大小为( )
A.2 m/s2 B.3 m/s2
C.34 m/s2 D.50 m/s2
答案:D
解析:根据加速度的定义式a=得平均加速度的大小a== m/s2=50 m/s2,故D正确,A、B、C错误。
5.(多选)一辆货车沿平直公路行驶时以2 m/s2的加速度做加速运动,某时刻货车上的物体从货车上掉落后立即以-4 m/s2的加速度做减速运动直至停止,则( )
A.货车加速时的加速度比物体减速时的加速度小
B.货车加速时的加速度比物体减速时的加速度大
C.物体做减速运动时,加速度方向与速度方向相反
D.物体做减速运动时,加速度方向与速度方向相同
答案:AC
解析:加速度的正负只表示方向,不表示大小,故货车加速时的加速度小于物体减速时的加速度,A正确,B错误;物体做减速运动时,加速度方向与速度方向相反,C正确,D错误。故选AC。
6.(多选)一辆汽车启动后,加速度、速度方向相同,且加速度越来越小,则( )
A.汽车的速度也减小
B.汽车的速度仍在增大
C.当加速度减小到零时,汽车静止
D.当加速度减小到零时,汽车的速度达到最大
答案:BD
解析:由于汽车的加速度方向与速度方向一致,故速度在增大,直到加速度减小到零时速度达到最大,选项B、D正确。
7.某次足球比赛中,足球以12 m/s速度击中运动员后被反向弹出,历时0.2 s,速度大小变为8 m/s,在此过程中加速度( )
A.大小为100 m/s2,方向与初速度方向相同
B.大小为100 m/s2,方向与初速度方向相反
C.大小为20 m/s2,方向与初速度方向相同
D.大小为20 m/s2,方向与初速度方向相反
答案:B
解析: 以初速度方向为正方向,根据加速度的定义得a== m/s2=-100 m/s2,所以加速度大小为100 m/s2,方向与初速度方向相反。故选B。
8.如图“50TFSI”为某品牌汽车的尾部标识,其中“50”称为G值,G值越大,加速越快。G值的大小为车辆从静止加速到100 km/h(百公里加速)的平均加速度(其单位为国际单位)的10倍。某车百公里加速时间为6.2 s,由此推算,该车的新尾标应该是( )
A.30TFSI B.35TFSI
C.40TFSI D.45TFSI
答案:D
解析:根据加速度定义可得汽车的加速度为a== m/s2=4.5 m/s2,则可知,该车的G值为4.5×10=45,所以其新尾标应为45TFSI,选项D正确。
9.一辆汽车沿平直公路向东行驶,如图是该汽车的速度计,在汽车内的观察者观察速度计指针的变化,开始时指针指在如图甲所示的位置,经过5 s后指针指示到如图乙所示的位置,下列说法正确的是( )
A.汽车做加速运动,加速度为2.8 m/s2
B.汽车做减速运动,加速度为-2.8 m/s2
C.汽车做加速运动,加速度为10 m/s2
D.汽车做减速运动,加速度为-10 m/s2
答案:B
解析:汽车速度计显示的是汽车的瞬时速度,由题图可得汽车的初速度v0=80 km/h,经过时间t=5 s。速度变为vt=30 km/h,所以Δv=vt-v0=-50 km/h≈-13.9 m/s;由a=得:a≈-2.8 m/s2。负号说明加速度的方向向西,汽车在做减速运动,选项B正确,A、C、D错误。
10.雨滴从高空由静止下落,由于空气阻力作用,其加速度逐渐减小,直到变为零,在此过程中雨滴的运动情况是( )
A.速度不断减小,加速度为零时,速度最小
B.速度不断增大,加速度为零时,速度最大
C.位移越来越小
D.速度变化率越来越大
答案:B
解析:雨滴做加速直线运动,加速度减小,雨滴下落的速度增加的越来越慢;加速度为零时,雨滴的速度最大,A错误,B正确;雨滴一直下落,位移逐渐增大,C错误;加速度即为速度变化率,加速度减小,故速度变化率减小,D错误。
11.(多选)一物体做变速直线运动,某时刻速度大小为v1=4 m/s,1 s后的速度大小变为v2=10 m/s,在这1 s内物体的平均加速度大小( )
A.可能小于4 m/s2 B.可能等于6 m/s2
C.一定等于6 m/s2 D.可能大于10 m/s2
答案:BD
解析:根据加速度的定义式 a=,当v2与v1同向时,加速度a1== m/s2=
6 m/s2。当v2与v1反向时,加速度a2== m/s2=-14 m/s2,故B、D对。
12.(8分)爆炸性的加速度往往是跑车的卖点。如图所示的这款跑车由静止加速至100 km/h只需4.2 s。
(1)求此车的平均加速度大小;
(2)假设普通私家车的平均加速度为3 m/s2,它们需要多长时间才能由静止加速至100 km/h?
答案:(1)6.61 m/s2 (2)9.26 s
解析:(1)末速度vt=100 km/h= m/s=27.78 m/s
平均加速度a== m/s2≈6.61 m/s2。
(2)所需时间t'== s≈9.26 s。
13.(8分)如图所示,M99是一款性能先进的大口径半自动狙击步枪。步枪枪管中的子弹从初速度为0开始,经过0.002 s的时间离开枪管被射出。已知子弹在枪管内的平均速度是600 m/s,射出枪口瞬间的速度是1 200 m/s,射出过程中枪没有移动。求:
(1)枪管的长度;
(2)子弹在射出过程中的平均加速度。
答案:(1)1.2 m (2)6×105 m/s2,方向与子弹的速度方向相同
解析:(1)枪管的长度
l= t=600×0002 m=12 m。
(2)a== m/s2=6×105 m/s2
方向与子弹的速度方向相同。
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