加速度及匀变速直线运动典型例题

加速度及匀变速直线运动典型例题[例1]下列说法中正确的是[]A.物体运动的速度越大，加速度也一定越大B.物体的加速度越大，它的速度一定越大C.加速度就是“加出来的速度”D.加速度反映速度变化的快慢，与速度无关[分析]物体运动的速度很大，若速度的变化很小或保持不变（匀速运动），其加速度不一定大（匀速运动中的加速度等于零）.物体的加速度大，表示速度变化得快，即单位时间内速度变化量大，但速度的数值未必大.比如婴儿，单位时间（比如3个月）身长的变化量大，但绝对身高并不高。“加出来的速度”是指vt-v0（或△v），其单位还是m/s.加速度是“加出来的速度”与发生这段变化时间的比值，可以理解为“数值上等于每秒内加出来的速度”.加速度的表达式中有速度v0、v1，但加速度却与速度完全无关——速度很大时，加速度可以很小甚至为零；速度很小时，加速度也可以很大；速度方向向东，加速度的方向可以向西.[答]D.[说明]要注意分清速度、速度变化的大小、速度变化的快慢三者不同的含义，可以跟小孩的身高、身高的变化量、身高变化的快慢作一类比.[例2]物体作匀加速直线运动，已知加速度为2m/s2，那么在任意1s内[]A.物体的末速度一定等于初速度的2倍B.物体的未速度一定比初速度大2m/sC.物体的初速度一定比前1s内的末速度大2m/sD.物体的末速度一定比前1s内的初速度大2m/s[分析]在匀加速直线运动中，加速度为2m/s2，表示每秒内速度变化（增加）2m/s，即末速度比初速度大2m/s，并不表示末速度一定是初速度的2倍.在任意1s内，物体的初速度就是前1s的末速度，而其末速度相对于前1s的初速度已经过2s，当a=2m/s2时，应为4m/s.[答]B.[说明]研究物体的运动时，必须分清时间、时刻、几秒内、第几秒内、某秒初、某秒末等概念.如图所示（以物体开始运动时记为t=0）。[例3]计算下列物体的加速度：（1）一辆汽车从车站出发作匀加速运动，经10s速度达到108km/h.（2）高速列车过桥后沿平直铁路匀加速行驶，经3min速度从54km/h提高到180km/h.（3）沿光滑水平地面以10m/s运动的小球，撞墙后以原速大小反弹，与墙壁接触时间为0.2s.[分析]由题中已知条件，统一单位、规定正方向后，根据加速度公式，即可算出加速度.[解]规定以初速方向为正方向，则对汽车v0=0，vt=108km/h=30m/s，t=10s，对列车v0=54km/h=15m/s，vt=180km/h=50m/s，t=3min=180s.对小球v0=10m/s，vt=-10m/s，t=0.2s，[说明]由题中可以看出，运动速度大、速度变化量大，其加速度都不一定大，尤需注意，，必须考虑速度的方向性.计算结果a3=-100m/s2，表示小球在撞墙过程中的加速度方向与初速方向相反，是沿着墙面向外的，所以使小球先减速至零，然后再加速反弹出去.速度和加速度都是矢量，在一维运动中（即沿直线运动），当规定正方向后，可以转化为用正、负表示的代数量.应该注意：物体的运动是客观的，正方向的规定是人为的.只有相对于规定的正方向，速度与加速度的正、负才有意义.。速度与加速度的量值才真正反映了运动的快慢与速度变化的快慢.所以，vA=-5m/s，vB=-2m/s，应该是物体A运动得快；同理，aA=-5m/s2，aB=-2m/s2，也应该是物体A的速度变化得快（即每经过1s速度减少得多），不能按数学意义认为vA比vB小，aA比aB小.[例4]一个做匀变速直线运动的物体连续通过两段长s的位移所用时间分别为t1、t2，则该物体的加速度为多少?[分析]根据匀变速运动的物体在某段时间内的平均速度等于中点时刻瞬时速度的关系，结合加速度的定义.即可算出加速度.[解]物体在这两段位移的平均速度分别为它们分别等于通过这两段位移所用的时间中点的瞬时速度.由于两个时间可知：[说明]由计算结果的表达式可知：当t1＞t2时，a＞0，表示物体作匀加速运动，通过相等位移所用时间越来越短；当t1＜t2时，a＜0，表示物体作匀减速运动，通过相等位移所用时间越来越长.[例5]图1表示一个质点运动的v－t图，试求出该质点在3s末、5s末和8s末的速度.[分析]利用v-t图求速度有两种方法：（1）直接从图上找出所求时刻对应的纵坐标，即得对应的速度值，再根据速度的正负可知此刻的方向；（2）根据图线求出加速度，利用速度公式算出所求时刻的速度.下面用计算法求解.[解]质点的运动分为三个阶段：AB段（0～4s）质点作初速v0=6m/s的匀加速运动，由4s内的速度变化得加速度：所以3s末的速度为：v3=v0＋at=6m/s＋（1.5×3）m/s=10.5m/s方向与初速相同.BC段（4～6s）质点以4s末的速度（v4=12m/s）作匀速直线运动，所以5s末的速度：v5=12m/s方向与初速相同.CD段（6～12s）质点以6s末的速度（即匀速运动的速度）为初速作匀减速运动.由6s内的速度变化得加速度：因所求的8s末是减速运动开始后经时间t'=2s的时刻，所以8s末的速度为：其方向也与初速相同.[说明]匀变速运动速度公式的普遍表达式是：vt=v0+at使用中应注意不同运动阶段的初速和对应的时间.在匀减速运动中，写成vt=v0-at后，加速度a只需取绝对值代入.速度图象的斜率反映了匀变速直线运动的加速度.如图所示，其斜率式中夹角α从t轴起以逆时针转向为正，顺时针转向为负.如图3中与图线1，2对应的质点作匀加速运动，与图线3对应的质点作匀减速运动.图线越陡，表示加速度越大，故a1＞a2.[例6]一个质点作初速为零的匀加速运动，试求它在1s，2s，3s，…内的位移s1，s2，s3，…之比和在第1s，第2s，第3s，…内的位移sⅠ，sⅡ，sⅢ，…之比各为多少？[分析]初速为零的匀加速运动的位移公式为：其位移与时间的平方成正比，因此，经相同时间通过的位移越来越大.[解]由初速为零的匀加速运动的位移公式得：…∴sⅠ∶sⅡ∶sⅢ=1∶3∶5…[说明]这两个比例关系，是初速为零的匀加速运动位移的重要特征，更一般的情况可表示为：在初速为零的匀加速运动中，从t=0开始，在1段、2段、3段……时间内的位移之比等于12∶22∶32…；在第1段、第2段、第3段……时间内的位移之比等于从1开始的连续奇数比，即等于1∶3∶5…（图1））.2.利用速度图线很容易找出例6中的位移之比.如图2所示，从t=0开始，在t轴上取相等的时间间隔，并从等分点作平行于速度图线的斜线，把图线下方的面积分成许多相同的小三角形.于是，立即可得：从t=0起，在t、2t、3t、…内位移之比为s1∶s2∶s3…=1∶4∶9…在第1个t、第2个t、第3个t、…内位移之比为sⅠ∶sⅡ∶sⅢ∶…=1∶3∶5∶…[例7]一辆沿平直路面行驶的汽车，速度为36km/h.刹车后获得加速度的大小是4m/s2，求：（1）刹车后3s末的速度；（2）从开始刹车至停止，滑行一半距离时的速度.[分析]汽车刹车后作匀减速滑行，其初速度v0=36km/h=10m/s，vt=0，加速度a=-4m/s2.设刹车后滑行ts停止，滑行距离为S，其运动示意图如图所示.[解]（1）由速度公式vt=v0+at得滑行时间：即刹车后经2.5s即停止，所以3s末的速度为零.（2）由位移公式得滑行距离.即设滑行一半距离至B点时的速度为vB，由推论[说明]（1）不能直接把t=3s代入速度公式计算速度，因为实际滑行时间只有2.5s.凡刹车滑行一类问题，必须先确定实际的滑行时间（或位移）；（2）滑行一半距离时的速度不等于滑行过程中的平均速度.[例8]一物体作匀变速直线运动，某时刻速度大小为v1=4m/s，1s后的速度大小变为v2=10m/s，在这1s内物体的加速度大小[]A.可能小于4m/s2B.可能等于6m/s2C.一定等于6m/s2D.可能大于10m/s2当v2与v1同向时，得加速度当v2与v1反向时，得加速度[答]B，D.[说明]必须注意速度与加速度的矢量性，不能认为v2一定与v1同向.对应于题中a1、a2两情况，其v－t图见图所示.由图可知：当v2与v1同向时，其平均速度和1s内的位移分别为当v2与v1反向时，其平均速度和1s内的位移分别为[例9]摩托车的最大车速vm=25m/s，要在t=2min内沿着一条笔直的公路追上在它前面s0=1000m处正以v=15m/s行驶的汽车，必须以多大的加速度起驶？[分析]这里有两个研究对象：汽车和摩托车，.汽车始终做匀速直线运动，摩托车起动后先作匀加速运动，当车速达到其最大值前若还未追上汽车，以后便改以最大车速vm做匀速运动.追上时，两车经历的时间相等.其运动过程如图1所示.[解]规定车行方向为正方向，则汽车在t=2min内的位移s1＝vt＝15×120m=1800m，摩托车追上汽车应有的位移s2=s0+s1=1000m+1800m=2800m.设摩托车起动后的加速度为a，加速运动的时间为t'，改作以最大车速vm匀速追赶的时间为t-t'，则[说明]1.不能由摩托车应有的位移s2=2800m直接按匀加速运动公式得出加速度因为摩托车有一极限车速，在这2min内并不是始终做加速运动的.2.本题的v－t图如图2所示.设加速运动的时间为t'，则由图线所对应的面积很容易列出关系式所以解题中应注意借助图线的形象思维.[例10]一列货车以v1=28.8km/h的速度在平直铁路上运行.由于调度事故，在大雾中后面相距s0=600m处有一列客车以v2=72km/h的速度在同一铁轨上驶来.客车司机发现货车后立即紧急制动，为不使两车相撞，客车的制动加速度至少多大？设货车速度不变.[分析]这里有两个研究对象：货车与客车.货车始终以v1做匀速直线运动，客车以v2为初速作匀减速运动.不致相撞时，客车和货车应同时满足位移条件（s客≤s货）和速度条件（v客≤v货）.如图1.[解]以车行方向为正方向，设客车制动后的加速度大小为a2.由上述不相撞的条件得当制动加速度取最小值时，两个不等式可改为等式.由（2）式得客车速度减小到等于货车速度的时间代入（1）式，得整理后得以v1=28.8km/h=8m/s，v2=72km/h=20m/s，s0=600m代入得[说明]本题也可用v－t图求解.如图2所示，画出两车的速度图线.刚好相遇不相撞时，其中画有斜线的三角形面积数值上应等于s0，即上面的计算都是以地面为参照物的.如果改以货车为参照物，即站在货车上看后方的客车，客车制动后相对于它以初速（v2-v1）、加速度a2向它驶来，不相撞时，经位移s0后恰好静止（即与货车相对静止）.于必须注意，相遇（追及）和相遇不相撞两者的物理条件不同.相遇时只需满足一个位移条件（例2）；相遇不相撞还需同时满足速度条件，即后车的速度应不大于前车的速度，临界情况下两车速度相等.[例11]如图所示，一小滑块m从静止开始沿光滑斜面由A滑到C，经历的时间为t1，如果改由光滑曲面滑到C，则经历的时间为t2，关于t1和t2的大小[]A.t1＞t2B.t1=t2C.t1＜t2D.已知条件不足，不能判定[分析]光滑曲面ADC是任意的曲面，就题目给出的已知条件，是无法利用运动学公式求出t1、t2比较其大小的，但可利用图象法来分析。滑块从A到C沿光滑斜面下滑，做初速为零的匀加速直线运动，沿光滑曲面ADC下滑时，在AD段加速度大于沿斜面下滑的加速度，在DC段又小于斜面上的加速度，但从A到C，它们的位移大小是相同的，且到C点的速率相等。做出v-t图来，定性地讨论[解答]正确答案为A[说明]本题是一例涉及复杂运动过程的物理量的定性比较，由于物理过程复杂，难以写出其定量表达式，而题目也没有要求一定要写出二者的定量表达式，只要求比较两个物理量的大小，在这种情况下，用几何方法（图象）来定性或半定量分析，往往有奇效。解决物理问题的过程是一种创造性思维过程，如能针对问题特点灵活、巧妙地运用所学知识和技能，创造性地解决问题，方能称得上学习的高境界。[例12]如图1所示，在平直公路上一汽车的速度为15m/s，从某时刻开始刹车，