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高中物理 勻變速直線運動的研究——速度與位移的關(guān)系

2023-04-23 12:17 作者:南宮很二  | 我要投稿

前面講過了速度與時間的關(guān)系,位移與時間的關(guān)系,這節(jié)課講一下速度與位移的關(guān)系。

已知一個物體從A到B做勻加速直線運動,初速度v_%7B0%7D%20,末速度v_%7Bt%7D%20,位移x,加速度a之間有什么關(guān)系呢?

勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系式x%3Dv_%7B0%7Dt%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat%5E2%20,勻變速直線運動的速度與時間的關(guān)系式v_%7Bt%7D%3D%20v_%7B0%7D%2Bat%20,將兩個公式聯(lián)立求解,消去時間t 可得到v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20,這就是勻變速直線運動的速度與位移的關(guān)系式。

看一個例題:動車鐵軌旁兩相鄰里程碑之間的距離是1 km。某同學(xué)乘坐動車時,通過觀察里程碑和車廂內(nèi)電子屏上顯示的動車速度來估算動車減速進(jìn)站時的加速度大小。當(dāng)他身邊的窗戶經(jīng)過某一里程碑時,屏幕顯示的動車速度是126 km/h。動車又前進(jìn)了3個里程碑時,速度變?yōu)?4 km/h。把動車進(jìn)站過程視為勻減速直線運動,那么動車進(jìn)站的加速度是多少?它還要行駛多遠(yuǎn)才能停下來?

分析:動車進(jìn)站做的是勻減速直線運動,初末速度都已知,觀察者是從第一個里程碑開始計算的,在又前進(jìn)3個里程碑時,經(jīng)過的總位移應(yīng)該是三個間隔,即3km;根據(jù)速度與位移的公式即可求得加速度。動車停下后速度為零,可以再次利用公式求出還要行駛的位移。由于是勻減速直線運動,注意規(guī)定正方向。

解:動車做勻減速直線運動,以初速度的方向為正方向。在經(jīng)過四個里程碑的過程中初速度v_%7B0%7D%3D126km%2Fh%3D35m%2Fs%20,末速度v_%7Bt%7D%3D54km%2Fh%3D15m%2Fs%20,位移x%3D3000m,求加速度a。

由公式v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20a%3D%5Cfrac%7Bv_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%20%7D%7B2x%7D%20%3D%5Cfrac%7B(15m%2Fs)%5E2-(35m%2Fs)%5E2%7D%7B2%5Ctimes%203000m%7D%20%5Capprox%20-0.167m%2Fs%5E2

在后一個過程中初速度v_%7B0%7D%3D54km%2Fh%3D15m%2Fs%20,末速度v_%7Bt%7D%3D0%20,加速度a%3D-0.167m%2Fs%5E2,求位移x。

由公式v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20x%3D%5Cfrac%7Bv_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%20%7D%7B2a%7D%20%3D%5Cfrac%7B0%5E2-(15m%2Fs)%5E2%7D%7B2%5Ctimes%20(-0.167m%2Fs%5E2)%7D%3D647m%20

動車進(jìn)站的加速度大小為0.167m%2Fs%5E2,方向與動車運動方向相反;還要行駛674 m才能停下來。

再來看另一種證明方法。

v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20的左邊用平方差公式展開得到(v_%7Bt%7D%2Bv_%7B0%7D%20)(v_%7Bt%7D%20-v_%7B0%7D%20)。前面學(xué)過勻變速直線運動的推論之一%5Cbar%7Bv%7D%20%3D%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%2B%20v_%7Bt%7D%20%7D%7B2%7D%20,所以v_%7Bt%7D%2B%20v_%7B0%7D%3D2%5Cbar%7Bv%7D%20%20;由速度與時間的關(guān)系v_%7Bt%7D%3D%20v_%7B0%7D%2Bat%20v_%7Bt%7D-%20v_%7B0%7D%3Dat%20;然后將這兩個式子相乘得(v_%7Bt%7D%2B%20v_%7B0%7D%20)(v_%7Bt%7D-%20v_%7B0%7D%20)%3D2%5Cbar%7Bv%7D%5Ccdot%20%20at%3D2a%5Ccdot%20%5Cbar%7Bv%7Dt%20,我們知道x%3D%5Cbar%7Bv%7Dt%20,所以整理得v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20。

如果在所研究的問題中,已知量和未知量都不涉及時間,利用這個公式求解,往往會更簡便。

在這個公式中,四個物理量都是矢量,一般規(guī)定初速度v_%7B0%7D%20的方向為正方向,加速時,a>0;減速時,a<0。與初速度方向相同,x>0;與初速度方向相反,x<0。

比如一個物體從A點向右勻減速運動后反向勻加速運動到B點,B點在A點右側(cè),此時物體的位移大小等于A點到B點之間的距離,且方向為正。

如果物體勻減速運動后反向加速經(jīng)過A點到達(dá)B,而B點在A點的左側(cè),此時位移的大小還是AB之間的距離,但是方向為負(fù)。

位移不是路程,而是起點到終點的有向線段,可能為正也可能為負(fù)。在帶入公式時一定要判斷符號。

看一個例題:一輛汽車以速度v_%7B0%7D%3D10m%2Fs%20以加速度大小為a%3D2m%2Fs%5E2車,當(dāng)車停下來的時候,運動的距離是多少?

分析:汽車勻減速直線運動直到停下來,已知初末速度,加速度,求位移。直接利用速度與位移的公式,注意規(guī)定正方向。

解:汽車做勻減速直線運動,以初速度的方向為正方向,已知初速度v_%7B0%7D%3D10m%2Fs%20,末速度v_%7Bt%7D%3D0%20,加速度a%3D-2m%2Fs%5E2,求位移x。

由公式v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20x%3D%5Cfrac%7Bv_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%20%7D%7B2a%7D%20%3D%5Cfrac%7B0%5E2-(10m%2Fs)%5E2%7D%7B2%5Ctimes%20(-2m%2Fs%5E2)%7D%20%3D25m

汽車從減速到停下來運動了25m。

這種方法就比先計算時間再計算位移方便多了。對于剎車問題,末速度為零,公式就可以理解為汽車以初速度v_%7B0%7D%20,加速度大小為a剎車,汽車滑行的距離為x%3D%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%5E2%20%7D%7B2a%7D%20

總結(jié)

勻變速直線運動速度與位移之間的關(guān)系為v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20。



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