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2.2匀变速直线运动的速度与时间的关系

C919
如果 C919 飞机沿直线做匀速运动,它的v-t图像是一条平行于时间轴的直线。在上节课的实验中,小车在重物牵引下运动的 v-t 图像是一条倾斜的直线,它表示小车在做什么样的运动?
匀变速直线运动
由上节课的实验我们看到,小车运动的v-t图像类似于图2.2-1所示的v-t图像,是一条倾斜的直线。
匀变速直线运动的 v-t 图像
无论 Δt选在什么区间,对应的速度的变化量 Δv 与时间的变化量Δt 之比都是一样的,即物体运动的加速度保持不变。所以,实验中小车的运动是加速度不变的运动。沿着一条直线,且加速度不变的运动,叫作匀变速直线运动(uniformvariable rectilinear motion)。匀变速直线运动的v-t 图像是一条倾斜的直线。
在匀变速直线运动中,如果物体的速度随时间均匀增加,这种运动叫作匀加速直线运动;如果物体的速度随时间均匀减小,这种运动叫作匀减速直线运动
速度与时间的关系
除v-t 图像外,我们还可以用公式描述物体运动的速度与时间的关系。
对于匀变速直线运动来说,我们可以把运动开始时刻取作0时刻,则由0时刻到t 时刻的时间间隔 Δt为t,而t时刻的速度v 与开始时刻的速度v0 (叫作初速度)之差就是速度的变化量,即Δv=v- v0把上述两式代入a=Δv/Δt中,得到
匀变速直线运动速度时间
这就是匀变速直线运动的速度与时间的关系式。
由于加速度 a 在数值上等于单位时间内速度的变化量,所以 at 就是 t 时间内速度的变化量,再加上运动开始时物体的速度,就得到 t 时刻物体的速度。
【例题】
汽车刹车
一辆汽车以 36 km/h 的速度在平直公路上匀速行驶。从某时刻起,它以 0.6 m/s2的加速度加速,10 s 末因故突然紧急刹车,随后汽车停了下来。刹车时做匀减速运动的加速度大小是 6 m/s²。
(1)汽车在 10 s 末的速度是多少?
(2)汽车从刹车到停下来用了多长时间?
分析  依题意,汽车加速和减速过程都是在做匀变速直线运动。
第(1)问是已知加速的时间求末速度。
第(2)问是已知末速度求减速的时间。两个问题都需要用匀变速直线运动的速度与时间关系式来求解。其中,第(2)问汽车加速度的方向跟速度、位移的方向相反,需要建立坐标系处理物理量之间的正负号问题。
解 (1)汽车做匀加速直线运动。
初速度 v0 = 36 km/h = 10 m/s,加速度 a = 0.6 m/s²,时间 t = 10 s。
根据匀变速直线运动速度与时间的关系式,有
v = v0 + at = 10 m/s + 0.6 m/s2×10 s = 16 m/s
(2)以汽车运动方向为正方向建立一维坐标系(图 2.2-2),与正方向一致的量取正号,相反的取负号。
汽车从第 10 s 末开始做匀减速直线运动,因此初速度 v0 = 16 m/s,末速度 v= 0,加速度 a=- 6 m/s2。
根据 v = v0+ at 得
匀变速直线运动
 
汽车 10 s 末的速度为 16 m/s,从刹车到停下来要用 2.67 s。
思考与讨论
图 2.2-3 是一个物体运动的 v-t 图像。
速度时间图像
它的速度怎样变化?在相等的时间间隔内,即Δt = Δt 时,速度的变化量Δv′和 Δv 总是相等的吗?物体在做匀变速运动吗?
练习与应用
1. 列车原来的速度是 36 km/h,在一段下坡路上加速度为 0.2 m/s2 。列车行驶到下坡路末端时,速度增加到 54 km/h。求列车通过这段下坡路所用的时间。
匀速行驶的列车
2. 以 72 km/h 的速度行驶的列车在驶近一座石拱桥时做匀减速直线运动(图 2.2-4),加速度的大小是 0.1 m/s2 ,列车减速行驶 2 min 后的速度是多少?
4. 一个物体沿着直线运动,其 v-t 图像如图 2.2-6 所示。
着直线运动 v-t 图像
(1)它在 1 s 末、4 s 末、7 s 末三个时刻的速度,哪个最大?哪个最小?
(2)它在 1 s 末、4 s 末、7 s 末三个时刻的速度方向是否相同?
(3)它在 1 s 末、4 s 末、7 s 末三个时刻的加速度,哪个最大?哪个最小?
(4)它在 1 s 末和 7 s 末的加速度方向是否相同?
3. 2015 年 12 月 14 日,嫦娥三号登月探测器平稳落月(图 2.2-5),中国首次地外天体软着陆成功。
嫦娥三号登月探测 器平稳落月
当它靠近月球后,先悬停在月面上方一定高度,之后关闭发动机,以 1.6 m/s2 的加速度下落,经过 2.25 s 到达月面,此时探测器的速度是多少?

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