高中物理 勻變速直線運動的研究——第一節(jié)課后習(xí)題講解

1. 為研究實驗小車沿斜面向下運動的規(guī)律,把打點計時器紙帶的一端固定在小車上,小車拖動紙帶運動時,紙帶上打出的點如圖所示。

(1)某同學(xué)用以下方法繪制了小車運動的v-t圖像。先把紙帶每隔0.1 s剪斷,得到若干短紙條。再把這些紙條并排貼在一張紙上,使這些紙條下端對齊,作為時間坐標軸,標出時間。最后將紙條上端中心連起來,于是得到v-t圖像。請你按以上辦法(用一張薄紙壓在圖上,復(fù)制得到紙帶)繪制這個v-t圖像。
(2)這樣做有道理嗎?說說你的看法。
分析:這道題是要求將紙帶按照相等的時間間隔剪開,底部對齊拼起來,然后連接紙帶的中點得到v-t圖像,這種方法叫做貼條法求v-t圖像。我們來具體講一下。
利用貼紙條法畫出v-t圖像
首先在紙帶上取點,時間間隔為T=0.01s。交流電的頻率是50赫茲,那么就是每隔四個點取一個計數(shù)點。接下來用剪刀在每一個計數(shù)點處剪斷,就得到了一些不一樣長的紙帶。

然后將紙帶的下邊緣對齊,拼在一起放在坐標紙上。紙帶的寬度相等,而每一段紙帶所經(jīng)歷的時間也是相同的T,打第一條紙帶AB所用的時間就是T,打第二條紙帶BC所用的時間也是T,以此類推,打第五條紙帶的時間還是T。因此打某條紙帶的時刻就和紙帶所在的水平位置成正比,所以可將水平軸稱為時間軸t(s)。

另一方面,紙帶的縱向高度h表示這段時間T內(nèi)物體的位移Δx,;由于時間相等所以
;而在勻變速直線運動中,一段時間的平均速度等于這段時間中點時刻的瞬時速度,
;則
。
那么紙條AB的高度就正比于紙條AB中點時刻的瞬時速度,,也就剛好是紙帶中間豎線時刻的瞬時速度。同理有
……
。也就是說每條紙帶的高度都可以代表這條紙帶寬度一半時刻對應(yīng)的瞬時速度。因此可以將縱軸稱為速度軸v(m/s)。

這樣只要連接紙帶上端的中點,就能近似畫出物體的v-t圖像了。這種方法就叫做貼紙條法畫v-t圖像。
勻變速直線運動可以用貼條法畫出v-t圖像,但是變加速直線運動不可以,因為中間時刻的瞬時速度不等于平均速度,會存在系統(tǒng)誤差;如果T取得比較小,仍然可以用貼條法,結(jié)果可以大致描述出物體的運動規(guī)律。
答:具體的答案參照上面的分析過程。
2. 列車沿長直坡路向下行駛。開始時速度表上的示數(shù)是54 km/h,以后每5 s讀取一次數(shù)據(jù),見表格。

(1)在表中填寫以為m/s單位表示的速度值。
(2)作出列車速度與時間關(guān)系的v-t圖像。
分析:題目的描述很簡單,告訴了火車的初速度,每次記錄速度的時間間隔,根據(jù)換算關(guān)系1m/s=3.6km/h計算就可以得到答案。v-t圖的縱坐標的單位一般默認是國際單位表示,所以應(yīng)該以求出的速度為縱坐標畫圖。將所有坐標點畫出來以后,一定要用平滑的曲線將各點連接起來。
答:(1)如表格所示

(2)如圖所示

注意:本題畫圖像用的是平滑曲線,因為火車下坡的每一個瞬時速度都是真實存在的。而紙帶畫圖像會存在誤差點,所以用一條直線穿過盡量多的點。