内容正文:
第2讲 匀变速直线运动的规律
匀变速直线运动的公式及推论
1.匀变速直线运动
特别提醒:(1)加速度大小和方向不变的直线运动一定是匀变速直线运动,与速度方向是否发生变化无关。
(2)无论匀加速还是匀减速直线运动,中间位置的速度总是大于中间时刻的速度。
2.初速度为零的匀变速直线运动的四个重要推论
(1)1T末、2T末、3T末……瞬时速度的比为:
v1∶v2∶v3∶…∶vn=_1∶2∶3∶…∶n__。
(2)1T内、2T内、3T内……位移的比为:
x1∶x2∶x3∶…∶xn=_12∶22∶32∶…∶n2__。
(3)第一个T内,第二个T内、第三个T内……位移的比为:
xⅠ∶xⅡ∶xⅢ∶…∶xN=_1∶3∶5∶…∶(2n-1)__。
(4)第一个x内,第二个x内,第三个x内所用时间之比为:
t1∶t2∶t3∶…∶tn= 1∶(-1)∶(-)∶…∶(-) 。
1.匀变速直线运动是加速度均匀变化的直线运动。( × )
2.匀变速直线运动的位移是均匀增加的。( × )
3.匀变速直线运动是加速度不变而速度均匀变化的直线运动。( √ )
4.匀变速直线运动包括匀加速直线运动和匀减速直线运动。( √ )
5.匀变速直线运动加速度不变,速度方向也不变。( × )
6.x=t只适用于匀变速直线运动。( √ )
考点1 匀变速直线运动三个基本关系式的应用
(基础考点·自主探究)
1.恰当选用公式
题目中所涉及的物理量(包括已知量、待求量和为解题设定的中间量)
没有涉及的物理量
适宜选用公式
v0、v、a、t
x
v=v0+at
v0、a、t、x
v
x=v0t+at2
v0、v、a、x
t
v2-v=2ax
2.运动公式中符号的规定
一般规定初速度的方向为正方向,与初速度同向的物理量取正值,反向的物理量取负值。若v0=0,一般以a的方向为正方向。
3.解答运动学问题的基本思路
→→→→
【跟踪训练】
(速度—时间关系式和位移—时间关系式的综合应用)(2024·全国甲卷)为抢救病人,一辆救护车紧急出发,鸣着笛沿水平直路从t=0时由静止开始做匀加速运动,加速度大小a=2 m/s2,在t1=10 s时停止加速开始做匀速运动,之后某时刻救护车停止鸣笛,t2=41 s时在救护车出发处的人听到救护车发出的最后的鸣笛声。已知声速v0=340 m/s,求:
(1)救护车匀速运动时的速度大小;
(2)在停止鸣笛时救护车距出发处的距离。
[答案] (1)20 m/s (2)680 m
[解析] (1)设救护车匀速运动的速度为v,
根据运动学公式有v=at1
解得v=20 m/s。
(2)设t0时刻救护车停止鸣笛,此时救护车的位移为x,匀加速阶段救护车的位移为x1,从开始匀速到停止鸣笛过程救护车的位移为x2,则
x1=at
x2=v(t0-t1)
x=x1+x2
从停止鸣笛到最后鸣笛声传播到救护车出发处,有
x=v0(t2-t0)
联立解得x=680 m。
(速度—位移关系式和位移—时间关系式的综合应用)2023年9月26日中国首条城市空轨在武汉开通。乘坐“光谷光子号”空轨,可尽情体验“人在空中游,景在窗外动”的科幻感。空轨列车在从综保区站由静止出发后,做匀加速直线运动,此过程中从甲地加速到乙地用时1分钟,甲乙两地相距2.1 km,且经过乙地的速度为180 km/h。对于列车的匀加速直线运动过程,下列说法正确的是( )
A.列车的加速度大小为0.75 m/s2
B.列车的加速度大小为1.0 m/s2
C.乙地到综保区站的距离为2.5 km
D.乙地到综保区站的距离为3.5 km
[答案] C
[解析] 设经过乙地时速度为v,则v=180 km/h=50 m/s,从甲到乙运动过程由逆向思维知,做匀减速直线运动,加速度大小为a,则x=vt-at2,解得a=0.5 m/s2,故A、B错误;从综保区到乙地,由静止开始匀加速v2=2ax,解得x=2 500 m,故C正确,D错误。故选C。
(速度—时间关系式和速度—位移关系式的综合应用)神舟十三号飞船采用“快速返回技术”。在距离地面1 m处时,反推发动机点火,返回舱速度由6 m/s减至2 m/s软着陆,此阶段的运动可看作匀减速直线运动。则此阶段( )
A.航天员处于失重状态
B.航天员的加速度大小为32 m/s2
C.返回舱运动的时间为0.5 s
D.返回舱的平均速度大小为4 m/s
[答案] D
[解析] 由于此阶段的运动可看作匀减速直线运动,则加速度方向向上,可知航天员处于超重状态,故A错误;根据速度与位移的关系有v2-v=2ax,解得航天员的加速度a=-16 m/s2,即加速度大小为16 m/s2,故B错误;由速度—时间公式有v=v0+at,解得t=0.25 s,故C错误;此阶段返回舱的平均速度大小为==4 m/s,故D正确。
考点2 匀变速直线运动推论的应用
(能力考点·深度研析)
匀变速直线运动推论的选用技巧
►考向1 平均速度法的应用
[答案] (1)1 m/s2 (2)4
[解析] (1)根据匀变速直线运动的规律,某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,可知该同学在1、2号锥筒间中间时刻的速度v1==2.25 m/s
在2、3号锥筒间中间时刻的速度
v2==1.8 m/s
故可得加速度大小a===1 m/s2。
(2)设该同学到达1号锥筒时的速度为v0,根据匀变速直线运动的规律有v0t1-at=d
代入数据解得v0=2.45 m/s
从1号锥筒开始到停止时通过的位移大小
x==3.001 25 m≈3.33d
故该同学最远能经过4号锥筒。
反思提升
解答计算题应注意以下三个问题
(1)必要的文字说明
指明研究对象、研究过程、所用规律定理,新出现的字母代表含义。
(2)必要的方程
①必须是原型公式,不变形;
②不用连等式,应分步列式,公式较多加编号①②③;
③字母符号规范,与题干中一致。
(3)合理的运算
①联立方程、代入数据得,不用写出具体的运算过程;
②结果为数字时带单位,矢量指明方向,多个解需讨论说明或取舍。
►考向2 Δx=aT2的应用
(2025·福建省福州联考)北京时间2022年11月20日晩上23:00时,第22届世界杯在卡塔尔正式开幕,图为一个足球被踢出后每隔0.1 s拍下的频闪照片,x1=1.05 m,x2=0.75 m,x3=0.45 m,x4=0.15 m,由此可以判定( )
A.足球做匀变速直线运动
B.足球的加速度大小为20 m/s2
C.足球的初速度大小v=15 m/s
D.整个过程中足球的平均速度大小为8 m/s
[答案] A
[解析] 连续相等时间内的位移差为x1-x2=x2-x3=x3-x4=0.3 m,所以足球做匀变速直线运动,故A正确;由Δx=at2,可得足球的加速度大小为a== m/s2=30 m/s2,故B错误;图中第二个球的速度v2== m/s=9 m/s,则球的初速度v1=v2+at=9 m/s+30×0.1 m/s=12 m/s,故C错误;整个过程中足球的平均速度大小为== m/s=6 m/s,故D错误。故选A。
►考向3 逆向思维法与比例法的综合应用
[答案] BC
[解析] 利用逆向思维,子弹的运动可看成反向的初速度为0的匀加速直线运动,通过连续相等位移所用时间之比为1∶(-1)∶(-),若三块木块的长度相等,则依次穿过三块木块的时间之比应为(-)∶(-1)∶1,故A错误;若三块木块的长度相等,设木块的长度为L,穿出第二块木块时的速度为v,穿出木块C时减速到0,故有v2=2aL,v=2a×3L,故可得v=v0,故B正确;同理运用逆向思维,子弹做初速度为0的匀加速直线运动时,在连续相等时间内通过的位移之比为1∶3∶5,反过来则是5∶3∶1,故C正确;若穿过三块木块所用时间相等,设穿过一块木块所用时间为t,则v0=3at,穿出第二块木块时速度v=at,可得v=,故D错误。
反思提升
不要生搬硬套这些比例关系,要注意应用条件和推导方法:
(1)求第n秒的位移,用前n秒的位移减去前(n-1)秒的位移。
(2)求第nx的时间,用前nx的时间减去前(n-1)x的时间。
【跟踪训练】
(多选)物体从静止开始做匀加速直线运动,已知第4 s内与第2 s内的位移之差是8 m,则下列说法正确的是( )
A.物体运动的加速度为4 m/s2
B.第2 s内的位移为6 m
C.第2 s末的速度为2 m/s
D.物体在0~5 s内的平均速度为10 m/s
[答案] ABD
[解析] 根据逐差公式xⅣ-xⅡ=2aT2,得a== m/s2=4 m/s2,故A正确;第2 s内的位移为x2-x1=at-at=×4×(22-12)m=6 m,故B正确;第2 s末速度为v=at2=4×2 m/s=8 m/s,故C错误;物体在0~5 s内的平均速度=== m/s=10 m/s,故D正确。
(2024·山东卷)如图所示,固定的光滑斜面上有一木板,其下端与斜面上A点距离为L。木板由静止释放,若木板长度为L,通过A点的时间间隔为Δt1;若木板长度为2L,通过A点的时间间隔为Δt2。Δt2∶Δt1为( )
A.(-1)∶(-1) B.(-)∶(-1)
C.(+1)∶(+1) D.(+)∶(+1)
[答案] A
[解析] 逆向考虑,可认为木板静止不动,质点A向上做初速度为零的匀加速直线运动,根据x=at2可得通过连续相等的位移L所用时间之比为t1∶t2∶t3=1∶(-1)∶(-),如图所示,
则由题意可知,Δt1=t2,Δt2=t2+t3,则Δt2∶Δt1=(-1)∶(-1),A正确,B、C、D错误。
两类典型的匀减速直线运动
►考向1 水平刹车与沿粗糙斜面上滑
汽车在水平路面上的刹车问题和物体沿粗糙斜面上滑问题,表面上看是两种不同的问题,但是,若物体在斜面上满足mgsin θ≤μmgcos θ,则物体的运动规律与汽车在水平路面上的刹车问题是相同的,即均是匀减速到速度为零,停止运动,加速度a突然消失。
汽车在平直的公路上行驶,发现险情紧急刹车,汽车立即做匀减速直线运动直到停止,已知汽车刹车时第1 s内的位移为13 m,最后1 s内的位移为2 m,则下列说法正确的是( )
A.汽车在第1 s末的速度大小可能为10 m/s
B.汽车加速度大小可能为3 m/s2
C.汽车在第1 s末的速度大小一定为11 m/s
D.汽车的加速度大小一定为4.5 m/s2
[答案] C
[解析] 采用逆向思维法,由于最后1 s内的位移为2 m,根据x2=at得,汽车加速度大小a==4 m/s2,第1 s内的位移为13 m,根据x1=v0t1-at,代入数据解得初速度v0=15 m/s,则汽车在第1 s末的速度大小v1=v0-at1=15 m/s-4×1 m/s=11 m/s,故C正确,A、B、D错误。
反思提升
逆向思维分析刹车类问题
(1)求解时要注意确定实际运动时间。
(2)如果问题涉及最后阶段(到停止)的运动,可把该阶段看成反向的初速度为零的匀加速直线运动。
(3)汽车在刹车时,有时要考虑司机的反应时间,在反应时间内汽车做匀速运动,然后做匀减速直线运动。
[答案] AD
[解析] 小木块恰好匀速下滑时,mgsin 30°=μmgcos 30°,可得μ=,A正确;小木块沿木板上滑过程中,由牛顿第二定律可得mgsin 30°+μmgcos 30°=ma,可得小木块上滑过程中匀减速运动的加速度大小a=10 m/s2,故小木块上滑的时间t上==1 s,小木块速度减为零时,有mgsin 30°=μmgcos 30°,故小木块将静止在最高点,D正确,B、C错误。
►考向2 双向可逆类问题
物体沿光滑斜面上滑时先做匀减速运动再反向做匀加速运动,且加速度的大小和方向均相同。
(多选)在足够长的光滑固定斜面上,有一物体以10 m/s的初速度沿斜面向上运动,物体的加速度大小始终为5 m/s2、方向沿斜面向下,当物体的位移大小为7.5 m时,下列说法正确的是( )
A.物体运动时间可能为1 s
B.物体运动时间可能为3 s
C.物体运动时间可能为(2+)s
D.物体此时的速度大小一定为5 m/s
[答案] ABC
[解析] 以沿斜面向上为正方向,则a=-5 m/s2,当物体的位移为沿斜面向上7.5 m时,x=7.5 m,由运动学公式x=v0t+at2,解得t1=3 s或t2=1 s,故A、B正确;当物体的位移为沿斜面向下7.5 m时,x=-7.5 m,由x=v0t+at2,解得t3=(2+)s或t4=(2-)s(舍去),故C正确;由速度时间公式v=v0+at,解得v1=-5 m/s、v2=5 m/s、v3=-5 m/s,故D错误。
反思提升
对双向可逆类运动,求解时可对全过程列式,但必须注意x、v、a等矢量的正负号及物理意义。
提能训练 练案[2]
基础巩固练
题组一 匀变速直线运动三个基本公式的应用
1.(2025·八省联考云南卷)司机驾驶汽车以36 km/h的速度在平直道路上匀速行驶。当司机看到标有“学校区域限速20 km/h”的警示牌时,立即开始制动,使汽车做匀减速直线运动,直至减到小于20 km/h的某速度。则该匀减速阶段汽车的行驶时间和加速度大小可能是( )
A.9.0 s,0.5 m/s2 B.7.0 s,0.6 m/s2
C.6.0 s,0.7 m/s2 D.5.0 s,0.8 m/s2
[答案] A
[解析] 汽车制动做匀减速直线运动过程中的初速度v0为36 km/h=10 m/s,末速度v不大于限速为20 km/h≈5.56 m/s,该过程汽车速度的变化量为Δv=v-v0≤-4.44 m/s,根据匀变速运动速度关系Δv=at,可知匀减速阶段汽车的行驶时间和加速度大小的乘积不小于4.44 m/s,故A正确,B、C、D错误。故选A。
2.如图所示,某高速列车在某段距离中做匀加速直线运动,速度由5 m/s增加到10 m/s时走过的位移为x。则当速度由10 m/s增加到15 m/s时,它走过的位移是( )
A.x B.x
C.2x D.3x
[答案] B
[解析] 由2ax=v2-v,可得==,则当速度由10 m/s增加到15 m/s时,它走过的位移是x1=x,故选B。
3.褐马鸡是中国特产珍稀鸟类,翅短,不善飞行,两腿粗壮,善于奔跑,某褐马鸡做匀加速直线运动,加速度大小为a,在时间t内速度变为原来的5倍,则它在时间t内的位移为( )
A.at2 B.at2
C.at2 D.2at2
[答案] C
[解析] 设褐马鸡的初速度为v0,则t时刻的速度为5v0,根据位移时间公式得:x=v0t+at2 ①,又因为t==,则有:v0= ②,联立①②可得x=at2,C项正确。
题组二 匀变速直线运动推论的应用
4.(多选)(2025·湖北省部分学校联考)如图(a)所示,某同学用智能手机拍摄物块从台阶旁的斜坡上自由滑下的过程,物块运动过程中的五个位置A、B、C、D、E及对应的时刻如图(b)所示。已知斜坡是由长为d=0.6 m的地砖拼接而成,且A、C、E三个位置物块的下边缘刚好与砖缝平齐。下列说法正确的是( )
A.物块在由A运动至E的时间为0.6 s
B.位置A与位置D间的距离为1.30 m
C.物块在位置D时的速度大小为2.25 m/s
D.物块下滑的加速度大小为1.875 m/s2
[答案] CD
[解析] 由图(b)中各个位置对应时刻可知,相邻位置的时间间隔T=0.40 s,故AE段的时间间隔为1.6 s,选项A错误;而AC段与CE段的时间间隔为2T=0.80 s,xCE-xAC=3d-d=2d,又xCE-xAC=a(2T)2,解得a=1.875 m/s2,选项D正确;物块在位置D时速度vD==2.25 m/s,选项C正确;由vD=vA+a(3T)得物块在A位置速度vA=0,则位置A、D间距离为xAD==1.35 m,选项B错误。故选CD。
5.(2025·重庆高三阶段练习)钢架雪车也被称为俯式冰橇,是2022年北京冬奥会的比赛项目之一。运动员需要俯身平贴在雪橇上,以俯卧姿态滑行。比赛线路由起跑区、出发区、滑行区及减速区组成。若某次运动员练习时,恰好在终点停下来,且在减速区AB间的运动视为匀减速直线运动。运动员通过减速区时间为t,其中第一个时间内的位移为x1,第四个时间内的位移为x2,则x2∶x1等于( )
A.1∶16 B.1∶7
C.1∶5 D.1∶3
[答案] B
[解析] 由题意知,在减速区AB间的运动视为匀减速直线运动,且最终减为零,将此减速过程由逆向思维,可看作初速度为零的匀加速直线运动,则根据初速度为零的匀加速直线运动,连续相等时间内位移之比为1∶3∶5∶…可知,x2∶x1之比即为初速度为零的匀加速直线中第一个时间内的位移与第四个时间内的位移之比,即x2∶x1=1∶7。故选B。
6.(2023·山东卷)如图所示,电动公交车做匀减速直线运动进站,连续经过R、S、T三点,已知ST间的距离是RS的两倍,RS段的平均速度是10 m/s,ST段的平均速度是5 m/s,则公交车经过T点时的瞬时速度为( )
A.3 m/s B.2 m/s
C.1 m/s D.0.5 m/s
[答案] C
[解析] 由题知,电动公交车做匀减速直线运动,且设RS间的距离为x,则根据题意有RS==,ST==,联立解得t2=4t1,vT=vR-10 m/s,再根据匀变速直线运动速度与时间的关系有vT=vR-a·5t1,则at1=2 m/s,其中还有v=vR-a·,解得vR=11 m/s,联立解得vT=1 m/s,故选C。
7.图中ae为港珠澳大桥上四段110 m的等跨钢箱连续桥梁,若汽车从a点由静止开始做匀加速直线运动,通过ab段的时间为t,则( )
A.汽车通过bc段的时间为t
B.汽车通过b点的速度等于汽车通过ad段的平均速度
C.汽车通过ce段的时间为(2-)t
D.汽车通过c点的速度小于汽车通过ae段的平均速度
[答案] C
[解析] 根据初速度为零的匀加速直线运动的比例关系,可知汽车通过ab、bc、cd、de段所用的时间之比为1∶(-1)∶(-)∶(2-),可得通过bc段的时间为(-1)t,故A错误;汽车通过ae段的时间为2t,b点为ae段的中间时刻,故通过b点的速度等于ae段的平均速度,故B错误;汽车通过cd段的时间为(-)t,通过de段的时间为(2-)t,通过ce段的时间为(2-)t,故C正确;匀变速直线运动中点位置的速度大于此阶段的平均速度,故D错误。
题组三 刹车类问题
8.汽车以20 m/s的速度在平直的公路上做匀速直线运动,刹车后的加速度大小为5 m/s2,那么开始刹车后2 s内位移与开始刹车后6 s内位移之比为( )
A.1∶1 B.3∶5
C.5∶9 D.3∶4
[答案] D
[解析] 汽车从开始刹车到停止的时间t0==4 s,则汽车刹车后2 s的位移为x1=v0t1-at=30 m,汽车刹车后6 s内位移等于4 s内位移为x2==40 m,得=,故D项正确,A、B、C三项错误。故选D项。
9.物块沿直线以一定的初速度匀减速滑行2 m后停下,已知物块通过前0.5 m用时为t0,则物块通过最后0.5 m用时( )
A.(2+)t0 B.(2-)t0
C.t0 D.t0
[答案] A
[解析] 本题可以把位移分为4份,每份为0.5 m,根据逆向思维,用初速度为零的匀变速直线运动的结论t∶t0=1∶(2-),可直接解得t=(2+)t0,A正确。
能力提升练
10.(2025·信阳模拟)一物块做匀加速直线运动,依次通过A、B、C、D四个位置,如图所示,已知AB=2 m,CD=9 m,且该物块通过AB段、BC段和CD段的时间之比为1∶2∶1,那么BC段的长度为( )
A.6 m B.11 m
C.12 m D.16 m
[答案] B
[解析] 物块经过AB和CD段的时间相等,设为T,经过BC段的时间为2T,则
a==
设BC中间时刻为E点,则
xBE-xAB=xCD-xEC=aT2
解得xBE= m,xEC= m
则xBC=11 m,故选B。
11.(多选)(2025·河北石家庄模拟)如图所示,某飞机着陆时的速度v0=216 km/h,随后沿直线匀减速滑行到静止。从飞机着陆开始计时,该飞机在倒数第4 s内的位移为7 m,下列说法正确的是( )
A.该飞机的加速度大小为2 m/s2
B.该飞机着陆后5 s时的速度大小为40 m/s
C.该飞机在跑道上滑行的时间为30 s
D.该飞机在跑道上滑行的距离为1 800 m
[答案] AC
[解析] 飞机着陆后的匀减速运动的逆过程为初速度为零、加速度大小为a的匀加速直线运动,则在t1=3 s内的位移为x1=at,在t2=4 s内的位移为x2=at,根据题意有x2-x1=7 m,联立解得加速度大小为a=2 m/s2,A正确;该飞机着陆后5 s时的速度大小为v5=v0-at= m/s-2×5 m/s=50 m/s,B错误;该飞机在跑道上滑行的时间为t== s=30 s,C正确;该飞机在跑道上滑行的距离为x=t=×30 m=900 m,D错误。
12.如图所示,小球沿足够长的斜面向上做匀变速直线运动,依次经a、b、c、d到达最高点e,已知ab=bd=4 m,bc=1 m,小球从a到c和从c到d所用的时间都是1 s,以沿斜面向上为正方向,设小球经过b、c时的速度分别为vb、vc,则下列说法错误的是( )
A.vb=2 m/s
B.vc=4 m/s
C.de=2 m
D.从d到e所用时间为1 s
[答案] C
[解析] 由题意知ac=5 m,cd=3 m,以沿斜面向上为正方向,根据Δx=at2得加速度a= m/s2=-2 m/s2,vc== m/s=4 m/s,根据v-v=2axbc,代入数据解得vb=2 m/s,故A、B正确;c、e的距离xce== m=4 m,则d、e间的距离xde=xce-xcd=4 m-3 m=1 m,故C错误;xde=(-a)t′2,解得t′=1 s,即小球从d到e所用时间为1 s,故D正确。
13.据统计,开车时看手机发生事故的概率是安全驾驶的23倍,开车时打电话发生事故的概率是安全驾驶的2.8倍。一辆小轿车在平直公路上以某一速度行驶时,司机低头看手机2 s,相当于盲开50 m,该车遇见紧急情况,紧急刹车的距离(从开始刹车到停下来汽车所行驶的距离)至少是25 m,根据以上提供的信息:
(1)求汽车行驶的速度和刹车的最大加速度大小;
(2)若该车以108 km/h的速度在高速公路上行驶时,前方100 m处道路塌方,该司机因违规使用手机2 s后才发现危险,司机的反应时间为0.5 s,刹车的加速度与(1)问中大小相等。试通过计算说明汽车是否会发生交通事故。
[答案] (1)25 m/s 12.5 m/s2 (2)会发生交通事故
[解析] (1)由题意可知,汽车运动的速度为
v1== m/s=25 m/s
设汽车刹车的最大加速度为a,则
a== m/s2=12.5 m/s2。
(2)由于v2=108 km/h=30 m/s
司机看手机时,汽车发生的位移为
x1=v2t=30×2 m=60 m
反应时间内汽车发生的位移为
x2=v2Δt=30×0.5 m=15 m
刹车后汽车发生的位移为x3== m=36 m
所以汽车前进的距离为
x=x1+x2+x3=60 m+15 m+36 m=111 m>100 m
所以会发生交通事故。
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