高三上册物理 匀变速直线运动的规律 逐字稿-6,482字
师:同学们好,今天我们复习匀变速直线运动的规律。匀变速直线运动,就是加速度不变且轨迹为直线的运动。因为加速度不变,它的 VT 图像是一条倾斜的直线。根据加速度的定义(a = \frac{v_{T} - v_{0}}{t}),马上就能得到第一个基本公式(v_{T} = v_{0} + at)。对于 VT 图像,图线与 t 轴围成的面积代表位移,所以位移(s = \frac{1}{2}(v_{0} + v_{T})t) 。我们把(v_{T} = v_{0} + at)代入,就得到第二个基本方程(s = v_{0}t + \frac{1}{2}at^{2})。再把(t)消掉,就得到匀变速直线运动的第三个基本方程(v_{T}^{2} - v_{0}^{2} = 2as)。
大家要能从基本思想出发,自己推导得出上述结论。接下来看第一个题目:一小球以(3)米每秒的初速度沿一光滑固定斜面向上做加速度大小恒为(1)米每二次方秒、方向沿斜面向下的匀变速直线运动,起始点为(A)。小球运动到斜面上方距(A)点(4)米处的(B)点,求它的速度以及所对应的时间可能是多少?这是一个简单的匀变速运动,要注意,匀变速运动的方程是矢量方程,在一条直线上需通过规定正方向来体现矢量性。我们通常选初速度方向为正方向,这样(v_{0} = 3)米每秒,(a = - 1)米每二次方秒,(s = 4)米。代入(v_{T}^{2} - v_{0}^{2} = 2as),可求出(v_{T} = 1)米每秒或者(- 1)米每秒。这里的正负代表什么含义呢?矢量的正负代表方向,说明末态可能还是沿斜面向上,速度为(1)米每秒,也可能已经反向。
再代入(v_{T} = v_{0} + at),当(v_{T})是(1)米每秒的时候,(t = 2)秒;当(v_{T} = - 1)米每秒的时候,(t = 4)秒。本题选(B)和(C)。请大家注意,匀变速规律是矢量方程,要留意矢量性。如果选位移为正方向,加速时(a)为正,减速时(a)为负。
例(2),汽车正以(20)米每秒的速度做匀速运动,司机因故立即刹车,加速度大小为(5)米每二次方秒。则:A. 汽车(6)秒时的速度大约为(6)米每秒;B. 汽车刹车后(6)米的位移为(40)米。本题已知了初速度和加速度,能直接代入计算吗?我们首先还是规定正方向,一般选初速度方向为正方向。本题是减速运动,(a = - 5)米每二次方秒。请大家注意刹车问题,一定要留意实际运动过程,要判断车子经过多长时间停止运动。根据本题条件,(v_{0} = 20)米每秒,(a = - 5)米每二次方秒,代入计算可得(t = 4)秒,也就是说(4)秒后车子就停止不动了。所以(A)选项,(6)秒时刻速度应该为(0),而不是(6)米每秒;(B)选项,(6)秒内的位移即为(4)秒内的位移。车子匀减速到(0),可以看成反方向的匀加速。(4)秒内位移可采用反向看的方法,(s = \frac{1}{2}at^{2} = \frac{1}{2}×5×4^{2} = 40)米,(B)选项正确。(C)选项,汽车速度是均匀减小,不是均匀增加,(C)错误。(D)选项,汽车刹车后位移先变大,后保持不变,不是位移越来越小,(D)错误。本题选(B)。
例(3),一质点以一定的初速度从(A)点开始,向相距(8)米的(B)点做直线运动。运动过程中其速度的二次方(v^{2})与位移(x)之间关系图像如图所示,下列说法正确的是:A. 质点做加速度增加的变加速运动;B. 质点做匀加速运动,加速度大小为(2)米每二次方秒;C. 质点运动的初速度大小为(2)米每秒;D. 质点从(A)运动到(B)所用时间为(8)秒。本题给出的是(v^{2}-x)图像,要求同学们从数学角度找出它们的关系,然后进行判定。我们根据图像容易得到(v^{2} = kx + b) 。还有当(x = 8)的时候,(v^{2} = 36),代入上面的算式可以算到(k = 4)。也就是说,从数学角度,我们得到(v^{2} = 4x + 4),把这个方程变形,写成(v^{2} - 2^{2} = 2×2x),和(v_{t}^{2} - v_{0}^{2} = 2ax)做比较,可以得到该运动的初速度(v_{0} = 2)米每秒,该运动的加速度(a = 2)米每二次方秒。再根据(v_{T} = v_{0} + at),(v_{T})到(B)点时,(v_{T} = 6)米每秒,(v_{0} = 2)米每秒,由此可以算出(t = \frac{6 - 2}{2} = 2)秒。因此,本题的选项应该是(B)和(C)。也就是说,如果(v^{2}-x)图像为直线,这个运动是匀变速直线运动,由该图像能求出它的加速度。
例(4),物体向东做匀加速直线运动,在第二秒内通过的路程为(4)米,第二秒内就是第二个(1)秒内,时长(1)秒;在第(4)秒内通过的距离为(12)米,第(4)秒就是第四个(1)秒,时长也是(1)秒,求物体的加速度。前面讲了匀变速直线运动的三个基本方程,它们能解决匀变速直线运动的所有问题。但是本题属于连续等时划分的问题,连续等时划分有一个有用的推论(x_{m} - x_{n} = (m - n)at^{2}),本题就有(12 - 4 = (4 - 2)at^{2}),这里的(t = 1)秒,算一算(a = 4)米每二次方秒。
对于连续等时间划分的问题,我们再看方法二。本题已知第二秒内通过的距离是(4)米,我们可以求出第(2)秒内的平均速度,(\overline{v} = 4)米每秒。匀变速运动有个规律,第二秒内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,也就是说它等于(v_{1.5}) 。同样,已知第(4)秒内的距离是(12)米,可以求出第(4)秒内的平均速度是(12)米每秒,它等于(v_{3.5})。下面我们求加速度,用定义(a = \frac{v_{3.5} - v_{1.5}}{2}),算出来也等于(4)米每二次方秒。这里我们充分利用了某段过程的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,把平均速度转化成瞬时速度。对于连续等时间划分的问题,用这两个方法求解加速度比较方便。本题选(C)。我们看看匀变速直线运动的推论,对于连续等时划分的有(x_{n} - x_{n - 1} = at^{2}),(x_{m} - x_{n} = (m - n)at^{2}),利用这个方程求解加速度比较方便。另外,还有某段过程的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,可以把平均速度转化成瞬时速度。对于连续等时划分的问题,用这两个方法计算比较简便。
例(5),如图所示,篮球架下运动员原地垂直起跳扣篮,离地后重心上升的最大高度为(h)。上升第一个(\frac{h}{4})所用的时间为(T_{1}),第四个(\frac{h}{4})所用的时间为(T_{2})。不计空气阻力,则(\frac{T_{2}}{T_{1}})满足以下(A)、(B)、(C)、(D)给出的范围。本题是一个匀减速到(0)的问题,对于匀减速到(0)的运动,我们经常采用逆向思维,把它反过来看,就变成了一个自由落体运动。反过来看,由于没有初速度,规律的表达变得更加简单,(h = \frac{1}{2}gt^{2}),(t = \sqrt{\frac{2h}{g}})。反过来看,当物体下落(\frac{h}{4})、(\frac{2h}{4})、(\frac{3h}{4})以及(h)的时间之比容易得到,等于(1:\sqrt{2}:\sqrt{3}:\sqrt{4}),这个时间是从下落的起点开始算的。那么下落第一个(\frac{h}{4})与第四个(\frac{h}{4})的时间之比就等于(1:(2 - \sqrt{3})),也就是(\frac{T_{2}}{T_{1}} = \frac{1}{2 - \sqrt{3}} \approx 3.73)。本题告诉我们,对于匀减速到(0)的运动,把它反向处理变成初速度为(0)的匀加速运动,在数学处理上更加方便。本题选(C)。