高中物理 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究——速度與時(shí)間的關(guān)系

除v-t 圖像外,我們還可以用公式描述物體運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系。對(duì)于勻變速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō),我們可以把運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻取作0時(shí)刻,則由0時(shí)刻到t 時(shí)刻的時(shí)間間隔 ,而t時(shí)刻的速度
與開(kāi)始時(shí)刻的速度
之差就是速度的變化量
,即
。代入加速度定義式
,
,整理得
。這就是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系式。
這個(gè)公式里,(有時(shí)也用
表示)叫做末速度,
叫做初速度,
就是速度的變化量。這個(gè)公式的含義就是末速度=初速度+速度的變化量。
由于加速度a 在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量,所以at 就是t 時(shí)間內(nèi)速度的變化量,再加上運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)物體的速度,就得到t 時(shí)刻物體的速度。
再來(lái)看一下通過(guò)v-t圖像說(shuō)明這個(gè)公式。

勻變速直線運(yùn)動(dòng)的圖像是一條傾斜的直線,在圖中縱坐標(biāo)表示速度,對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)就是速度的大小,速度變化所用的時(shí)間是t,斜率,而B(niǎo)C=t,所以AB=at,就是速度的變化量;那么末速度
。
這個(gè)公式除了用在勻加速直線運(yùn)動(dòng)中,同樣可以用在勻減速直線運(yùn)動(dòng)中,但是公式中的都是矢量,用的時(shí)候一定要規(guī)定正方向,然后帶著正負(fù)號(hào)進(jìn)行計(jì)算;通常規(guī)定以初速度
的方向?yàn)檎较颉?/p>
例題:一輛汽車以36 km/h 的速度在平直公路上勻速行駛。從某時(shí)刻起,它以的加速度加速,10 s末因故突然緊急剎車,隨后汽車停了下來(lái)。剎車時(shí)做勻減速運(yùn)動(dòng)的加速度大小是
。
(1)汽車在10 s末的速度是多少?
(2)汽車從剎車到停下來(lái)用了多長(zhǎng)時(shí)間?
分析:汽車經(jīng)歷三個(gè)階段的運(yùn)動(dòng),勻速運(yùn)動(dòng),勻加速運(yùn)動(dòng)和勻減速運(yùn)動(dòng)。勻速運(yùn)動(dòng)的速度就是勻加速運(yùn)動(dòng)的初速度,勻加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是10s,勻加速運(yùn)動(dòng)的末速度也是勻減速運(yùn)動(dòng)的初速度,兩段勻變速運(yùn)動(dòng)的加速度都是已知的,根據(jù)公式代入計(jì)算即可。但是要注意,汽車剎車最終停下來(lái),表示末速度為0;勻減速直線運(yùn)動(dòng)的初速度與加速度方向相反,所以要規(guī)定正方向。
解:(1)汽車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
已知,
,
,求
根據(jù)公式有。
(2)以汽車做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)的初速度方向?yàn)檎较?,已?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=v_%7B0%7D%3D16m%2Fs%20" alt="v_%7B0%7D%3D16m%2Fs%20">,,
,求
根據(jù)公式得
汽車10s末的速度為16m/s,從剎車停下來(lái)要2.67s。
注意:本題的兩問(wèn)之間在計(jì)算的時(shí)候互不干擾,所以個(gè)物理量并未用角標(biāo)區(qū)分,配合必要的文字說(shuō)明能夠表達(dá)清楚的時(shí)候沒(méi)必要將解題過(guò)程復(fù)雜化。這是物理解題時(shí)的一個(gè)特點(diǎn)。
如果物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速度與初速度方向相同,加速度為正,那么末速度大于初速度,明顯是加速運(yùn)動(dòng)。
如果物體做勻減速直線運(yùn)動(dòng),加速度與初速度方向相反,加速度為負(fù),那么末速度小于初速度,明顯是減速運(yùn)動(dòng)。
通常減速運(yùn)動(dòng)速度最終會(huì)變成0,如果時(shí)間足夠長(zhǎng),物體可能會(huì)反向加速運(yùn)動(dòng),但要注意的是,并不是所有減速運(yùn)動(dòng)停下來(lái)后都會(huì)反向加速。比如汽車的減速停下來(lái),小木塊在摩擦的作用下減速停下來(lái),它們停下來(lái)以后都不會(huì)向后運(yùn)動(dòng);因此對(duì)于它們來(lái)說(shuō)速度結(jié)果變成負(fù)值都是不合理的。這個(gè)時(shí)候的最終速度只能為0。
例題:一輛汽車以初速度10m/s勻速運(yùn)動(dòng),突然開(kāi)始剎車,剎車時(shí)加速度大小為,求剎車后1s和剎車后3s的速度。
分析:汽車開(kāi)始剎車后做勻減速直線運(yùn)動(dòng),速度方向和加速度方向相反,所以要規(guī)定正方向,剎車后最終要停下來(lái),末速度為0,不可能反向運(yùn)動(dòng)。
解:以汽車運(yùn)動(dòng)的初速度方向?yàn)檎较?,已?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=v_%7B0%7D%20%3D10m%2Fs" alt="v_%7B0%7D%20%3D10m%2Fs">,,
,
,求
。
由公式可得,
時(shí),
;當(dāng)
時(shí),
,速度是負(fù)值,說(shuō)明汽車反向運(yùn)動(dòng),這明顯是不合理的,這說(shuō)明3s的時(shí)候汽車已經(jīng)停下來(lái)了,所以速度應(yīng)該為0,這才是正確答案。
總結(jié)
勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系用公式表達(dá)為,一般地,
代表初速度,
代表末速度。