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高中物理 勻變速直線運動的研究——復(fù)習(xí)與提高A組習(xí)題講解

2023-08-14 20:29 作者:南宮很二  | 我要投稿

1. 某人騎自行車,在距離十字路口停車線30m處看到信號燈變紅。此時自行車的速度為4m%2Fs。已知該自行車在此路面依慣性滑行時做勻減速運動的加速度大小為0.2m%2Fs%5E2。

如果騎車人看到信號燈變紅就停止用力,自行車僅靠滑行能停在停車線前嗎?

分析:本題實際已知的是位移,初速度,末速度和加速度,所以判斷僅靠滑行停在停車線的方法就是比較位移,初速度,末速度和加速度。

解:自行車做勻加速直線運動,以初速度的方向為正方向。已知位移x%3D30m,初速度v_0%3D4m%2Fs,末速度v_t%3D0,加速度a%3D-0.2m%2Fs%5E2。

比較位移,由公式v_t%5E2-v_0%5E2%3D2axx%3D%5Cfrac%7Bv_t%5E2-v_0%5E2%7D%7B2a%7D%3D%5Cfrac%7B0-(4m%2Fs)%5E2%7D%7B2%5Ctimes%20(-0.2m%2Fs%5E2)%7D%3D40m%EF%B9%A530m,所以用這樣初末速度和加速度做勻減速直線運動,最終不會在停車線停下。

比較末速度,由公式v_t%5E2-v_0%5E2%3D2axv_t%3D%5Csqrt%7Bv_0%5E2%2B2ax%7D%3D%5Csqrt%7B(4m%2Fs)%5E2%2B2%5Ctimes%20(-0.2m%2Fs%5E2)%5Ctimes30m%7D%3D2m%2Fs%EF%B9%A50%20%20,所以用這樣的初速度,加速度和位移做勻減速直線運動,最終不會在停車線停下。

比較初速度,由公式v_t%5E2-v_0%5E2%3D2axv_0%3D%5Csqrt%7Bv_t%5E2-2ax%7D%3D%5Csqrt%7B0-2%5Ctimes(-0.2m%2Fs%5E2)%5Ctimes30m%7D%3D2%5Csqrt%7B3%7Dm%2Fs%EF%B9%A44m%2Fs,所以用這樣的末速度,加速度和位移做勻減速直線運動,最終不會在停車線停下。

比較加速度,由公式v_t%5E2-v_0%5E2%3D2axa%3D%5Cfrac%7Bv_t%5E2-v_0%5E2%7D%7B2x%7D%20%3D%5Cfrac%7B0-(4m%2Fs)%5E2%7D%7B2%5Ctimes30m%7D%20%5Capprox%200.27m%2Fs%5E2%EF%B9%A50.2m%2Fs%5E2,所以用這樣的初末速度和位移做勻減速直線運動,最終不會在停車線停下。

2. 騎自行車的人以5m%2Fs的初速度沿足夠長的斜坡向上做減速運動,加速度大小是0.4m%2Fs%5E2,經(jīng)過5s,他在斜坡上通過多長的距離?

分析:做勻減速直線運動的問題,在涉及到某段時間通過的位移時,一定要考慮什么時候速度為零。

解:自行車做勻減速直線運動,以初速度方向為正方向,初速度v_0%3D5m%2Fs,加速度a%3D-0.4m%2Fs%5E2。先算出停下來所用的時間t,由公式v_t%3Dv_0%2Batt%3D%5Cfrac%7Bv_t-v_0%7D%7Ba%7D%3D%5Cfrac%7B0-5m%2Fs%7D%7B-0.4m%2Fs%5E2%7D%3D12.5s%EF%B9%A55s%20%20,所以自行車在5s時不會停下來,那么由公式x%3Dv_0t%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat%5E2x%3D5m%2Fs%5Ctimes5s%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes(-0.4m%2Fs%5E2)%5Ctimes(5s)%5E2%3D20m

所以自行車在斜坡上通過的距離是20m。

3. 鋼球由靜止開始做自由落體運動,不計空氣阻力,落地時的速度為30m%2Fs,g取10m%2Fs%5E2。

(1)它下落的高度是多少?

(2)它在前2s內(nèi)的平均速度是多少?

(3)它在最后1s內(nèi)下落的高度是多少?

分析:自由落體運動是初速度為零,加速度為g的勻加速直線運動,所以將勻變速直線運動的公式變形就可以直接進(jìn)行計算了。

解:鋼球做自由落體運動,初速度為0,加速度g%3D10m%2Fs%5E2,末速度v_t%3D30m%2Fs。

(1)由公式v_t%5E2%3D2ghh_1%3D%5Cfrac%7Bv_t%5E2%7D%7B2g%7D%3D%5Cfrac%7B(30m%2Fs)%5E2%7D%7B2%5Ctimes10m%2Fs%5E2%7D%20%20%3D45m。

下落的高度是45m。

(2)由公式h%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dgt%5E2%20h_2%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ctimes10m%2Fs%5E2%5Ctimes(2s)%5E2%3D20m%20,平均速度%5Cbar%7Bv%7D%3D%5Cfrac%7Bh_2%7D%7Bt%7D%3D%5Cfrac%7B20m%7D%7B2s%7D%3D10m%2Fs%20%20%20;或者由公式v_t%3Dgtv_t%3D10m%2Fs%5E2%5Ctimes2s%3D20m%2Fs,再由勻變速直線運動推論二%5Cbar%7Bv%7D%3D%5Cfrac%7Bv_0%2Bv_t%7D%7B2%7D%20%20%5Cbar%7Bv%7D%3D%5Cfrac%7B0%2B20m%2Fs%7D%7B2%7D%3D10m%2Fs%20%20。

前2s內(nèi)的平均速度是10m/s。

(3)先算出落地所需的時間t,由公式v_t%3Dgtt%3D%5Cfrac%7Bv_t%7D%7Bg%7D%3D%5Cfrac%7B30m%2Fs%7D%7B10m%2Fs%5E2%7D%3D3s%20%20,前2秒的下落的高度第(2)問已經(jīng)求出,所以最后1s下落的高度h_3%3Dh_1-h_2%3D45m-20m%3D25m。

最后1s下落的高度是25m。

注意:在有連續(xù)幾問的題目中,前一問的結(jié)果通常是后一問的已知條件,結(jié)合起來解題會更加方便一些。

4. 某同學(xué)在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗中,選出了如圖1所示的一條紙帶(每兩點間還有4個點沒有畫出來),紙帶上方的數(shù)字為相鄰兩個計數(shù)點間的距離。打點計時器的電源頻率為50 Hz。

(1)根據(jù)紙帶上的數(shù)據(jù),計算打下A、B、C、D、E點時小車的瞬時速度并填在表中。

圖1

(2)在圖2中畫出小車的v-t圖像,并根據(jù)v-t圖像判斷小車是否做勻變速直線運動。如果是,求出該勻變速直線運動的加速度。

圖2

分析:在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗中,某計時點的瞬時速度等于前后兩點間的平均速度。由描點法畫出圖像并求出直線的斜率,就是該小車運動的加速度。

解:打點計時器頻率為50HZ,所以每隔0.02s打一個點,圖中每兩個計數(shù)點間還有四個未畫出,所以兩個計數(shù)點間的時間為0.1s。

(1)v_A%3D%5Cfrac%7B0.05m%2B0.071m%7D%7B0.2s%7D%20%3D0.605m%2Fsv_B%3D%5Cfrac%7B0.071m%2B0.091m%7D%7B0.2s%7D%20%3D0.801m%2Fs,v_C%3D%5Cfrac%7B0.091m%2B0.1081m%7D%7B0.2s%7D%3D0.996m%2Fs%20v_D%3D%5Cfrac%7B0.1081m%2B0.127m%7D%7B0.2s%7D%20%3D1.176m%2Fs,v_E%3D%5Cfrac%7B0.127m%2B0.151m%7D%7B0.2s%7D%20%3D1.390m%2Fs

(2)以紙帶O點為計時0點,后面的點依次對應(yīng),得到每一點的速度和時間,在坐標(biāo)紙上描點,并畫一條直線使點分布在直線兩側(cè)。

由圖像可知,小車做勻加速直線運動。在直線上重新取兩個距離較遠(yuǎn)的點(0.05,0.5)和(0.45,1.28),由公式a%3D%5Cfrac%7B%5CDelta%20v%7D%7B%5CDelta%20t%7D%20%3D%5Cfrac%7B1.28m%2Fs-0.5m%2Fs%7D%7B0.45s-0.05s%7D%3D1.95m%2Fs%5E2%20。

注意:在坐標(biāo)紙上描點時一定要用“+”號,要用一條直線穿過大多數(shù)點,使點均勻的分布在直線兩側(cè),這樣得到的直線才最接近真實值。計算加速度的時候一定要重新取點,而且要距離夠遠(yuǎn),以減小計算誤差。

5. 某跳傘運動員做低空跳傘表演。他離開懸停的飛機后先做自由落體運動,當(dāng)距離地面125 m時開始打開降落傘,到達(dá)地面時速度減為5m%2Fs。如果認(rèn)為開始打開降落傘直至落地前運動員在做勻減速運動,加速度為12m%2Fs%5E2,g取10m%2Fs%5E2。

(1)運動員打開降落傘時的速度是多少?

(2)運動員離開飛機時距地面的高度為多少?

(3)運動員離開飛機后,經(jīng)過多長時間才能到達(dá)地面?

分析:運動員在空中經(jīng)歷了兩段運動,分別是自由落體運動和勻減速直線運動,前一段運動的末速度就是后一段運動的初速度,兩段運動的位移之和就是總高度。列出已知條件求解即可。

解:自由落體階段:已知初速度為0,加速度g%3D10m%2Fs%5E2,設(shè)末速度為v,下落高度為h_1;勻減速直線運動階段:設(shè)向下為正方向,初速度為v,加速度a%3D-12m%2Fs%5E2,末速度v_t%3D5m%2Fs,下落高度為h_2%3D125m。

由自由落體公式v_t%5E2%3D2ghv%5E2%3D2gh_1……①

由勻變速直線運動公式v_t%5E2-v_0%5E2%3D2axv_t%5E2-v%5E2%3D2ah_2……②

聯(lián)立兩式可得v%3D55m%2Fs%EF%BC%8Ch_1%3D151.25m

所以(1)運動員打開降落傘時的速度為55m%2Fs

(2)運動員離開飛機時距離地面的高度為h_1%2Bh_2%3D151.25m%2B125m%3D276.25m;

由于兩段運動的初末速度都知道,自由落體階段運動時間由公式v_t%3Dgtt_1%3D%5Cfrac%7Bv%7D%7Bg%7D%3D%5Cfrac%7B55m%2Fs%7D%7B10m%2Fs%5E2%7D%3D5.5s%20;勻減速直線運動階段時間由公式v_t%3Dv_0%2Batt_2%3D%5Cfrac%7Bv_t-v_0%7D%7Ba%7D%20%3D%5Cfrac%7B5m%2Fs-55m%2Fs%7D%7B-12m%2Fs%5E2%7D%5Capprox%20%204.17s;

所以(3)運動員離開飛機后,落地所需要的總時間為t_1%2Bt_2%3D5.5s%2B4.17s%3D9.67s。

6. 已知一物體做初速度為0、加速度為a的勻加速直線運動。該物體在前1 s內(nèi)、前2 s內(nèi)、前3 s內(nèi)……的位移分別是x_%7B1%7D%EF%BC%8C%20x_%7B2%7D%20%EF%BC%8Cx_%7B3%7D%EF%BC%8C%E2%80%A6%20在第1 s內(nèi)、第2 s內(nèi)、第3 s內(nèi)……的位移分別是x_%7B%E2%85%A0%7D%20%EF%BC%8Cx_%7B%E2%85%A1%7D%EF%BC%8C%20x_%7B%E2%85%A2%7D%20%EF%BC%8C%E2%80%A6在各個連續(xù)相等的時間間隔T內(nèi)的位移分別是 S_%7B1%7D%EF%BC%8C%20S_%7B2%7D%EF%BC%8C%20S_%7B3%7D%EF%BC%8C%E2%80%A6S_n%20,證明:

(1)x_%7B1%7D%EF%BC%9Ax_%7B2%7D%EF%BC%9Ax_%7B3%7D%EF%BC%9A%E2%80%A6%3D1%3A4%3A9%EF%BC%9A%E2%80%A6%20

(2)x_%7B%E2%85%A0%7D%EF%BC%9Ax_%7B%E2%85%A1%7D%EF%BC%9Ax_%7B%E2%85%A2%7D%20%EF%BC%9A%E2%80%A6%3D1%EF%BC%9A3%3A5%EF%BC%9A%E2%80%A6

(3)%5CDelta%20S%3DS_2-S_1%3DS_3-S_2%3DS_n-S_%7Bn-1%7D%3DaT%5E2

分析:本題實際上是讓同學(xué)們自己動手推導(dǎo)一下勻變速直線運動的推論一、推論四、推論五

解(1)由初速度為零的勻變速直線運動位移公式x%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat%5E2,可以得到前1s內(nèi)、前2s內(nèi)、前3s內(nèi)…的位移分別為x_1%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes1%5E2%20,x_2%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes2%5E2,x_3%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes3%5E2%20,…

所以x_%7B1%7D%EF%BC%9Ax_%7B2%7D%EF%BC%9Ax_%7B3%7D%EF%BC%9A%E2%80%A6%3D1%3A4%3A9%EF%BC%9A%E2%80%A6%20

(2)由(1)中的式子可得在第1 s內(nèi)、第2 s內(nèi)、第3 s內(nèi)……的位移分別為x_%7B%E2%85%A0%7D%20%3Dx_1%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes1%5E2%20,x_%7B%E2%85%A1%7D%20%3Dx_2-x_1%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20a%5Ctimes2%5E2-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes1%5E2%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes3%20%20,x_%7B%E2%85%A2%7D%20%3Dx_%7B3%7D-x_%7B2%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes3%5E2-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes2%5E2%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Da%5Ctimes5%20%20%20%20,…

所以x_%7B%E2%85%A0%7D%EF%BC%9Ax_%7B%E2%85%A1%7D%EF%BC%9Ax_%7B%E2%85%A2%7D%EF%BC%8C%E2%80%A6%3D1%3A3%3A5%EF%BC%9A%E2%80%A6%20

(3)在各個連續(xù)相等的時間間隔T內(nèi)的速度分別是v_1%3DaT%EF%BC%8Cv_2%3Dv_1%2BaT%EF%BC%8Cv_3%3Dv_2%2BaT%EF%BC%8C%E2%80%A6%EF%BC%8Cv_n%3Dv_%7Bn-1%7D%2BaT,在各個連續(xù)相等的時間間隔T內(nèi)的位移分別是S_1%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%20,S_2%3Dv_1T%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%20%3DaT%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%20,S_3%3Dv_2T%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%3D2aT%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%20%20,…,S_%7Bn-1%7D%3Dv_%7Bn-2%7DT%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%3D(n-2)aT%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%20%20,S_n%3Dv_%7Bn-1%7DT%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%3D(n-1)aT%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7DaT%5E2%20%20

所以%5CDelta%20S%3DS_2-S_1%3DS_3-S_2%3DS_n-S_%7Bn-1%7D%3DaT%5E2


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