- 2021-05-31 发布 |
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文档介绍
【物理】2019届一轮复习教科版运动学图像追及相遇问题学案
专题强化一 运动学图像 追及相遇问题 专题解读 1.本专题是匀变速直线运动规律和运动学图像的综合应用,为高考必考内容,多以选择题形式命题. 2.学好本专题,可以提高同学们通过画运动情景示意图和v-t图像分析和解决运动学问题的能力. 3.用到的知识有:x-t图像和v-t图像的理解,匀变速直线运动的规律,临界条件的确定,极值思想等数学方法. 一、运动学图像 1.直线运动的x-t图像 (1)图像的物理意义 反映了做直线运动的物体的位移随时间变化的规律. (2)图线斜率的意义 ①图线上某点切线的斜率大小表示物体速度的大小 ②图线上某点切线的斜率正负表示物体速度的方向. (3)交点 两图线交点,表示两物体相遇. 2.直线运动的v-t图像 (1)图像的物理意义 反映了做直线运动的物体的速度随时间变化的规律. (2)图线斜率的意义 ①图线上某点切线的斜率大小表示物体加速度的大小. ②图线上某点切线的斜率正负表示加速度的方向. (3)两种特殊的v-t图像 ①匀速直线运动的v-t图像是与横轴平行的直线. ②匀变速直线运动的v-t图像是一条倾斜的直线. (4)图像与时间轴围成的面积的意义(如图1) 图1 ①图像与时间轴围成的面积表示位移. ②若此面积在时间轴的上方,表示这段时间内的位移方向为正;若此面积在时间轴的下方,表示这段时间内的位移方向为负. (5)交点 两图线交点表示此时两物体速度相同. 自测1 甲、乙两物体从同一点出发且在同一条直线上运动,它们的位移—时间(x-t)图像如图2所示,由图像可以看出在0~4 s内( ) 图2 A.甲、乙两物体始终同向运动 B.第4 s末时,甲、乙两物体间的距离最大 C.甲的平均速度等于乙的平均速度 D.乙物体一直做匀加速直线运动 答案 C 解析 由题图可知在0~2 s内,甲、乙同向运动,在2~4 s内两者反向运动,选项A错误;第4 s末两物体相遇,两物体间的距离不是最大,选项B错误;由题图知在0~4 s内,甲、乙的位移都是2 m,故平均速度相等,选项C正确;根据图线斜率的绝对值等于速度的大小,可知乙物体一直做匀速直线运动,选项D错误. 自测2 如图3所示,为某物体做直线运动的v-t图像,由此可知( ) 图3 A.前1 s物体的位移大小为1 m B.前2 s末物体的瞬时速度大小为2 m/s C.前3 s内物体的加速度大小为3 m/s D.前3 s物体做匀变速直线运动 答案 A 解析 在v-t图像中,相应图线与时间轴所围的面积表示位移,由题图知,前1 s内物体的位移大小x=×1×2 m=1 m,选项A正确;在1~3 s内由题图得,物体的加速度a== =-1 m/s,第2 s末物体的瞬时速度v=v0+at=2 m/s-1 m/s2×1 s=1 m/s,选项B、C错误;第1 s内物体做匀加速直线运动,1~3 s内物体做匀减速直线运动,选项D错误. 二、追及与相遇问题 1.概述 当两个物体在同一条直线上运动时,由于两物体的运动情况不同,所以两物体之间的距离会不断发生变化,就会涉及追及、相遇或避免碰撞等问题. 2.两类情况 (1)若后者能追上前者,则追上时,两者处于同一位置,后者的速度一定不小于前者的速度. (2)若后者追不上前者,则当后者的速度与前者的速度相等时,两者相距最近. 3.相遇问题的常见情况 (1)同向运动的两物体追及并相遇:两物体位移大小之差等于开始时两物体间的距离. (2)相向运动的两物体相遇:各自发生的位移大小之和等于开始时两物体间的距离. 自测3 平直公路上的甲车以10 m/s的速度做匀速直线运动,乙车静止在路面上,当甲车经过乙车旁边时,乙车立即以大小为1 m/s2的加速度沿相同方向做匀加速运动,从乙车加速开始计时,则( ) A.乙车追上甲车所用的时间为10 s B.乙车追上甲车所用的时间为20 s C.乙追上甲时,乙的速度是15 m/s D.乙追上甲时,乙的速度是10 m/s 答案 B 解析 设乙车追上甲车所用的时间为t,则有v甲t=at2,解得t=20 s,选项A错误,B正确;由v=at得,乙车追上甲车时,乙车速度v乙=20 m/s,选项C、D错误. 命题点一 运动学图像的理解和应用 1.x-t图像与v-t图像的比较 x-t图像 v-t图像 图像 举例 意义 倾斜直线表示匀速直线运动;曲线表示 倾斜直线表示匀变速直线运动;曲线表 变速直线运动 示变加速直线运动 特别处 两条图线的交点表示相遇 图线与时间轴所围面积表示位移 运动 情况 甲做匀速直线运动,乙做速度逐渐减小的直线运动 丙做匀加速直线运动,丁做加速度逐渐减小的变加速直线运动 位移 0~t1时间内甲、乙位移相等 0~t2时间内丁的位移大于丙的位移 平均 速度 0~t1时间内甲、乙平均速度相等 0~t2时间内丁的平均速度大于丙的平均速度 2.三点说明 (1)x-t图像与v-t图像都只能描述直线运动,且均不表示物体运动的轨迹; (2)分析图像要充分利用图像与其所对应的物理量的函数关系; (3)识图方法:一轴、二线、三斜率、四面积、五截距、六交点. 例1 (多选)如图4,直线a和曲线b分别是在平直公路上行驶的汽车a和b的位移—时间(x-t)图线,由图可知( ) 图4 A.在时刻t1,a车追上b车 B.在时刻t2,a、b两车运动方向相反 C.在t1到t2这段时间内,b车的速率先减少后增加 D.在t1到t2这段时间内,b车的速率一直比a车的大 答案 BC 解析 由题图可知,t1时刻,b车追上a车,故A错误;x-t图像的斜率表示速度,由于t2时刻a、b两图像的斜率一正、一负,故两车运动方向相反,B正确;由b图线的斜率的变化可以看出t1到t2这段时间b车的速率先减少后反向增加,C正确;如图所示,在t3时刻b图线的斜率与a图线的相等,此时两车的速率相等,故D错误. 例2 (2014·新课标全国Ⅱ·14)甲、乙两汽车在一平直公路上同向行驶.在t=0到t=t1的时间内,它们的v—t图像如图5所示.在这段时间内( ) 图5 A.汽车甲的平均速度比乙的大 B.汽车乙的平均速度等于 C.甲、乙两汽车的位移相同 D.汽车甲的加速度大小逐渐减小,汽车乙的加速度大小逐渐增大 答案 A 解析 根据v—t图像中图线与时间轴所围的面积表示位移,可以看出汽车甲的位移x甲大于汽车乙的位移x乙,选项C错误;根据v=得,汽车甲的平均速度v甲大于汽车乙的平均速度v乙,选项A正确;汽车乙的位移x乙小于初速度为v2、末速度为v1的匀减速直线运动的位移x,即汽车乙的平均速度小于,选项B错误;根据v—t图像的斜率反映了加速度的大小,因此汽车甲、乙的加速度大小都逐渐减小,选项D错误. 变式1 甲、乙两车在同一条直道上行驶,它们运动的位移x随时间t变化的关系图像如图6所示.已知乙车做匀变速直线运动,其图线与t轴相切于10 s处.则下列说法正确的是( ) 图6 A.甲车的初速度为零 B.乙车的初位置在x0=60 m处 C.乙车的加速度大小为1.6 m/s2 D.5 s时两车相遇,此时甲车速度较大 答案 C 解析 由题图可知甲车做匀速直线运动,速度v甲== m/s=4 m/s.故A错;由题图可知乙车做匀减速直线运动,可看做是反方向的匀加速直线运动,则有x=at2.由题图可知,当其反向运动5 s时,位移为20 m.则有20=a·52,得加速度大小a=1.6 m/s2.因其共运动了10 s,可得x0 =×1.6×102 m=80 m.C对,B错;t=5 s时,两车相遇,但甲车速度v甲=4 m/s小于乙车速度v乙=8 m/s,D错. 变式2 (2018·广东佛山质检)如图7所示为甲、乙两质点做直线运动的速度-时间图像,则下列说法中正确的是( ) 图7 A.在0~t3时间内甲、乙两质点的平均速度相等 B.甲质点在0~t1时间内的加速度与乙质点在t2~t3时间内的加速度相同 C.甲质点在0~t1时间内的平均速度小于乙质点在0~t2时间内的平均速度 D.在t3时刻,甲、乙两质点都回到了出发点 答案 A 解析 因在0~t3时间内甲、乙两质点的速度图线与t轴所围“面积”相等,说明位移相等,则甲、乙两质点的平均速度相等,故A项正确;在0~t1时间内,甲的图线斜率为正值,加速度为正方向,在t2~t3时间内,乙的图线斜率为负值,加速度为负方向,两个加速度不相同,故B项错误;甲质点在0~t1时间内的平均速度等于=,乙质点在0~t2时间内的平均速度等于=,故C项错误;由图可知甲、乙两质点的速度均为正值.则两质点均做单向直线运动,不可能回到出发点,故D项错误. 拓展点1 非常规图像 1.三类图像 (1)a-t图像:由vt=v0+at可知图像与横轴所围面积表示速度变化量Δv,如图8甲所示; (2)-t图像:由x=v0t+at2可得=v0+at,图像的斜率为a,如图乙所示. 图8 (3)v2-x图像:由v2-v02=2ax可知v2=v02+2ax,图像斜率为2a. 2.解题技巧 图像反映了两个变量(物理量)之间的函数关系,因此要由运动学公式推导出两个物理量间的函数关系,来分析图像的意义. 例3 一质点沿直线运动,如图9所示是从t=0时刻开始的质点的-t图像(x为位移),可以推知( ) 图9 A.质点做匀减速运动 B.加速度的大小是1 m/s2 C.t=2 s时的速度是1 m/s D.t=2 s时位移是3 m 答案 B 解析 由题意可得图线的函数表达式为=1+t,即x=t+t2,又因为匀变速直线运动中位移公式为x=v0t+at2,根据对应关系得v0=1 m/s,a=1 m/s2>0,因此质点做匀加速运动,故A项错误,B项正确.当t=2 s时,根据公式v=v0+at,求出速度是3 m/s,故C项错误;当t=2 s时,代入表达式x=t+t2,可得位移是4 m,故D项错误. 变式3 (2017·江西南昌3月模拟)一辆汽车做直线运动,其v2-x图像如图10所示.关于汽车的运动,下列说法错误的是( ) 图10 A.汽车的初速度为4 m/s B.汽车的加速度大小为0.5 m/s2 C.汽车第4 s末的速度为2 m/s D.汽车前10 s内的位移为15 m 答案 D 解析 由题图可知初始时速度的平方为16 m2/s2,则汽车的初速度v0=4 m/s,A项正确.由题图可知v2与x的关系式为v2-42=-x,再与公式v2-v02=2ax对比可知汽车做匀减速直线运动,加速度a=-0.5 m/s2,B项正确.由v=v0+at,可得汽车第4 s末的速度为v4=4 m/s-0.5×4 m/s=2 m/s,C项正确.因=8 s,则知第8 s末车停止,汽车前10 s内位移x==16 m,D项错误. 拓展点2 图像间的相互转化 例4 一物体由静止开始沿直线运动,其加速度随时间变化的规律如图11所示.取物体开始运动的方向为正方向,则下列关于物体运动的v-t图像正确的是( ) 图11 答案 C 命题点二 追及相遇问题 1.分析思路 可概括为“一个临界条件”“两个等量关系”. (1)一个临界条件:速度相等.它往往是物体间能否追上或(两者)距离最大、最小的临界条件,也是分析判断问题的切入点; (2)两个等量关系:时间等量关系和位移等量关系,通过画草图找出两物体的时间关系和位移关系是解题的突破口. 2.能否追上的判断方法 物体B追赶物体A:开始时,两个物体相距x0,到vA=vB时,若xA+x0<xB,则能追上;若xA+x0=xB,则恰好不相撞;若xA+x0>xB,则不能追上. 3.特别提醒 若被追赶的物体做匀减速直线运动,一定要注意判断被追上前该物体是否已经停止运动. 4.三种方法 (1)临界法:寻找问题中隐含的临界条件,例如速度小者加速追赶速度大者,在两物体速度相等时有最大距离;速度大者减速追赶速度小者,若追不上则在两物体速度相等时有最小距离. (2)函数法:设两物体在t时刻相遇,然后根据位移关系列出关于t的方程f(t)=0,若方程f(t)=0无正实数解,则说明这两个物体不可能相遇;若方程f(t)=0存在正实数解,说明这两个物体能相遇. (3)图像法. ①若用位移图像求解,分别作出两个物体的位移图像,如果两个物体的位移图像相交,则说明两物体相遇. ②若用速度图像求解,则注意比较速度图线与时间轴包围的面积. 例5 甲、乙两车在同一直线轨道上同向行驶,甲车在前,速度为v1=8 m/s,乙车在后,速度为v2=16 m/s,当两车相距x0=8 m时,甲车因故开始刹车,加速度大小为a1=2 m/s2,为避免相撞,乙车立即开始刹车,则乙车的加速度至少为多大? 答案 6 m/s2 解析 方法一:临界法 设两车速度相同时均为v,所用时间为t,乙车的加速度大小为a2,则v1-a1t=v2-a2t=v,t=t-x0,解得t=2 s,a2=6 m/s2,即t=2 s时,两车恰好未相撞,显然此后在停止运动前,甲的速度始终大于乙的速度,故可避免相撞.满足题意的条件为乙车的加速度至少为6 m/s2. 方法二:函数法 甲、乙运动的位移:x甲=v1t-a1t2,x乙=v2t-a2t2 避免相撞的条件为x乙-x甲查看更多