用运动图象巧解直线运动问题

用运动图象巧解直线运动问题

用运动图象巧解直线运动问题 ‎　　运动图象能形象直观地反映物体的运动情况，而且图线的斜率、与t轴所围的面积等等都有明确的含义，因而利用运动图象，可以提高解题的能力与技巧，甚至可以解决一些单用解析方法在中学阶段还不能解决的问题，请看下面几例.‎ ‎　　[例1]从车站出发的每辆车都先以加速度a作匀加速直线运动，加速到速度为v时开始作匀速直线运动，由于发车的时间间隔相同，相邻的作匀速直线运动的两车间距均为s，则相邻两车发车的时间间隔为_____.‎ ‎　　此例若想用解析方法求解，会感到较难下手，若引导学生画出相邻各车的v－t图线，那么问题很快可以解决，如图1，ts末第一、第二 ‎　　辆车的速度都达到v，此后两车间距s不变.此时第一辆车通过的路程数值上等于梯形OABt的面积，第二辆车通过的路程数值上等于三角形t1Bt的面积，两图形的面积之差即平行四边形OABt1的面积数值上等于两车的路程之差 ，即两车的间距s.依据平行四边形的面积等于一边与这一边上高的乘积，从图1中可对应找到s=v△t，即相邻两车发车的时间间隔为s/v。‎ ‎　　[例2]质点沿光滑斜面无初速下滑，第一次从A至B，第二次从A至C再到D，B、D在同一水平面，AB=AC＋CD，如图2所示。质点在C处不损失能量，两次下滑时间分别为t1与t2，则 [　　 ]‎ ‎　　A.t1＞t2.　　　　　　　　 B.t1＜t2.‎ ‎　　C.t1=t2　　　　　　　　. D.无法判断.‎ ‎　　由于在下滑过程中不损失机械能，因此质点到达B点和D点的速度均为v，如图3所示，即两次下滑的v－t图线的终点均应落在直线vF上.OF为第一次下滑的v－t图线，OG为第二次下滑AC段的图线，由于AC段的加速度比AB段大，OG的斜率比OF的斜率大.GH为CD段图线，H落在vF上，H可能在F的左边、右边或与F重合.‎ ‎　　若H正好与F重合，那么四边形OGHt1的面积比三角形OFt1的面积大，这说明第二次下滑的路程较长，这与AB=AC＋CD相矛质，所以H不可能与F重合，即t1不可能等于t2.‎ ‎　　若H在F的右边，如图4.GH与OF的交点为M，过M作MN∥vH，连FN，FN与MH交于K，Ft1与MH交于I.△FMH与△FNH 同底等高，两者面积相等，去掉公共部分△FKH的面积，可得△MKF与△HKN的面积相等.两次下滑的v－t图线包围的面积，公共重叠的部分是四边形OMIt1，第一次下滑的v－t图中不重叠部分只有△MFI，而它的面积 ‎　　S△MFI＜S△MFK=S△NHK，S△NHK只是第二次下滑的v－t图中不重叠面积中的一部分，这就证明了H在F的右边时，四边形OGHt2。的面积比三角形OFt1的面积大，这与题设矛盾，所以H只能在F的左边，即t1＞t2，（A）选项正确.‎ ‎　　[例3]作匀加速直线运动的物体先后经过A、B、C三点，在AB段物体的平均速度为3m/s，在BC段平均速度为6m/s，AB=BC，则物体在B点的速度为 [　　 ]‎ ‎　　A.4m/s.　　　　　　　 B.4.5m/s.‎ ‎　　C.5m/s.　　　　　　　 D.5.5m/s.‎ ‎　　AB=BC，通过两段路程的时间之比为t1：t2=2：1.图5画出了物体通过两段路程的v－t图，根据匀变速直线运动中某段中间时刻的瞬时速度等于整段时间的平均速度，那么AB段中间时刻的速度vF=的MG∥NK，依据平行线所截线段对应成比例.那么EG:GK=t1∶t2=2∶1，又因为F为EG中点，H为GK中点，所以FG：GH=2：1，而 ‎　　 FG：GH=‎ ‎　　项正确 ‎　　.‎ ‎　　[例4]作匀变速直线运动的物体在运动过程中通过一段路程s用时间为t，接着再通过一段路程s用时间为2t，又继续前进，则物体的加速度大小为____.‎ ‎　　由后通过路程s所用的时间长，可知一定是匀减速运动，物体作匀减速运动的v－t图象如图6所示，第一段路程中间时刻的速度vA等于 ‎　　第一段路程的平均速度s/t，第二段路程中间时刻的速度vC等于第二段路程的平均速度s/2t，这二个中间时刻的时间间隔tC-tA=3t/2，根据v-t 图线斜率的绝对值在数值上等于加速度的大小，设直线EG的斜率为k，则 ‎　　[例5]质点P以O点为平衡位置竖直向上作简谐运动，同时质点Q也从O点被竖直上抛，它们恰好同时到达最高点，且高度相同，在此过程中，两质点的瞬时速度vP与vQ的关系应该是 [　　 ]‎ ‎　　A.vP＞vQ.‎ ‎　　B.先vP＞vQ，后vP＜vQ，最后vP=vQ=0.‎ ‎　　C.vP＜vQ.‎ ‎　　D.先vP＜vQ，后vP＞vQ，最后vP=vQ=0.‎ ‎　　这也是用解析方法很难下手的题目，但若能利用题设条件，画好、分析好两个质点的v－t图线，就能很快找到答案.‎ ‎　　先在图7中画出Q作匀减速运动的v－t图象.由于P作简谐运动，当它由平衡位置向极端位置运动过程中，受到的回复力从零开始不断变大，它的加速度也从零开始不断变大，速度不断变小，P作加速度不断增大的减速运动，其v－t图线是一条曲线.根据v－t图线上任一点的切线的斜率数值上等于质点在该时刻的加速度，由于P的加速度由零开始不断变大，画出曲线切线斜率的绝对值也应由零开始不断增大，即曲线的切线应从呈水平状态开始不断变陡，那么只有向右边凸出的下降的曲线才能满足这样的条件.又因P与Q的运动时间相等，所以曲线的终点也应在t，P与Q的路程相等，所以曲线包围的面积应等于三角形vQ0Ot的面积，根据这些要求，曲线的起点，即质点P的初速度vP0必定小于Q的初速vQ0，且两条v－t图线必定会相交，如图7中的实线所示.图7的两条虚线表示的质点P的v－t图线都不满足题设条件（P与Q的路程相等），所以（D）选项正确.‎ ‎　　[例6]甲、乙两车同时同向沿直线驶向某地，甲在前一半时间以v1匀速运动，后一半时间以v2匀速运动.乙在前一半路程以v1匀速运动，后一半路程以v2匀速运动，先到目的地的是____.‎ ‎　　图8 画出了甲与乙的s-t图线，图象画好答案也出现了，t乙＞t甲， 所以甲先到达目的地.图8中假设v1＞v2，若v2＞v1可得到同样的结果，此题也能用v－t图象求解，无论用s－t图象还是v－t图象，都要比用计算的方法简捷得多.‎ ‎（育民中学，上海 姚开勋 200137）‎