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图像法解决直线运动问题
【学习目标】
1、掌握 x-t、v -t 图象的特点并理解其意义
2、会应用 x-t 图象和 v -t 图象解决质点运动的有关问题
【要点梳理】
要点一、x-t 图象
要点诠释:
1、图象的物理意义
在 x-t 图象中,横坐标表示从计时开始的各个时刻,纵坐标表示从计时开始的任一时刻的位置,即从
运动开始的这一段时时间内,物体相对于参考点的位移,整个图象反映了物体的位置随时间的变化规律。
2、匀速直线运动
物体做直线运动,如果在任意时刻的速度都相等,即在任意相等的时间内通过的位移都相等,则物体
做的是匀速直线运动
做匀速直线运动的物体的位移-时间图象是一条倾斜的直线。如图 1:
图象上的一个点对应着物体在某时刻的位置。如图中 P 点表示在第 2s 末,物体的位置为距参考点正
方向 2m,Q 点表示在第 3s 末,物体的位置为距参考点正方向 3m。
从图中也可确定物体在任意时间内的位移。如图中第 3s 内物体发生的位移为正方向的 1m。
图上各点切线斜率 k= 表示速度 v,即图线的倾斜程度反映物体运动的快慢,其倾斜程度越
大,速度越快。斜率的大小表示做匀速直线运动物体的速度的大小,斜率的正负即为速度的正负。从图 1
可知,物体的速度为 v=1m/s。
3、几点说明
(1)物体的 x-t 图象和物体的运动轨迹不同。
(2)若图象不过原点,有两种情况:
①图象在纵轴上截距表示开始计时物体相对于参考点的位移;
②图象在横轴上的截距表示物体过一段时间再从参考点出发。
如图 2,图线①开始时相对参考点的位移为 x0,图线②经过 t0 才从参考点出发。
(3)两图线相交说明两物体相遇,其交点 A 的横坐标表示相遇的时刻,纵坐标表示相遇处对参考点的
tan x
t
α ∆= ∆第 2 页 共 17 页
位移。如图 2 中,图线①和图线②相交于 A 点,表示两物体在 t1 时刻相遇,其中 x1 表示相遇处对参考点
的位移。
(4)图象是倾斜直线表示物体做匀速直线运动,图象是曲线则表示物体做变速运动,如图 3 中的②、③
图线表示物体做匀速直线运动,①表示物体做变速运动。
(5)图象平行于 t 轴,即斜率为零,说明物体的速度为零,表示物体静止如图 3 中④图线;图象斜率
为正值,表示物体沿与规定方向相同的方向运动,如图 3 中图线②;图象斜率为负值,表示物体沿与规定
方向相反的方向运动,如图 3 中图线③。
(6)图象与横轴交叉,表示物体从参考点的一边运动到另一边,如图 3 中的图线③表示相距参考点 x0
一边运动到参考点。
要点二、速度-时间图象(v-t 图象)
要点诠释:
1、图象的物理意义
在 v-t 图象中,横坐标表示从计时开始的各个时刻,纵坐标表示物体某时刻的速度,整个图象反映了
物体的速度随时间的变化规律。
由于 ,而 v-t 图象中的斜率 k= ,所以 ,斜率的大小即为加速度的大小,
斜率的正负即为加速度的正负。
2、匀速直线运动的 v-t 图象
匀速直线运动的速度 v 是恒定的,不随时间发生变化,所以 v-t 图象是一条与横轴平行的直线,如
图所示。图中,A 的速度为正值表示其速度方向与规定的正方向相同,B 的速度为负值,表示它的速度方
向与规定的正方向相反。在比较 A、B 速度的大小时,应该有: 。
t
va ∆
∆=
t
v
∆
∆=αtan αtan=a
t/s
v(m/s)
Δv
a
b
Δt
0
α
A Bv v<第 3 页 共 17 页
3、变速直线运动的 v-t 图象
在变速直线运动中,如果在任意相等的时间内速度的改变都相等,这种运动叫匀变速直线运动,它的
v-t 图象是一条倾斜直线,如图所示,A 表示匀加速直线运动的 v-t 图象,B 表示匀减速直线运动的图象。
4、非匀变速直线运动的 v-t 图象
物体做直线运动时,如果在相等的时间内速度改变不相等的叫非匀变速直线运动,它的 v-t 图象是
一条曲线,如图所示:
5、v-t 图象的应用
(1)可求出任一时刻的速度。
(2)可求出达到某一速度所需的时间。
(3)可求出某段时间内发生的位移。
运动质点在某段时间 t 内发生位移的大小是 v-t 图象与坐标轴及 t 的始、末时刻线段所围面积的数
值,如图:
第 4 页 共 17 页
要点三、x-t 图象与 v-t 图象的比较
要点诠释:
图甲、乙两图以及下表是形状一样的图线在 图象与 图象中的比较.
图 图
①表示物体做匀速直线运动(斜率表示速度 v) ①表示物体做初速度为零的匀加速直线运动(斜
率表示加速度 a)
②表示物体静止 ②表示物体做匀速直线运动
③表示物体静止在原点 O ③表示物体静止
④表示物体向反方向做匀速直线运动;初位置为
④表示物体做匀减速直线运动;初速度为
⑤交点的纵坐标表示三个运动质点相遇时的位置 ⑤交点的纵坐标表示三个运动质点的共同速度
⑥ 时间内物体位移为
⑥ 时刻物体速度为 (图中阴影部分面积表示
质点在 0~ 时间内的位移)
要点四、运用图象时的注意问题
要点诠释:
1.首先明确所给的图象是什么图象,即认清图中横、纵轴所代表的物理量及它们的函数关系。特别
是那些图形相似,容易混淆的图象,更要注意区分。
2.要清楚地理解图象中的“点”、“线”、“斜率”、“截距”、“面积”的物理意义。
(1)点:图线上的每一个点都对应研究对象的一个状态,特别注意“起点”、“终点”、“拐点”,
它们往往对应一个特殊状态。
(2)线:表示研究对象的变化过程和规律,如 图象中图线若为倾斜直线,则表示物体做匀变速
直线运动。
(3)斜率:表示横、纵坐标轴上两物理量的比值,常有一个重要的物理量与之对应。用于定量计算
对应物理量的大小和定性分析变化的快慢问题。如 图象的斜率表示速度大小, 图象的斜率表示
加速度大小。
(4)面积:图线与坐标轴围成的面积常与某一表示过程的物理量相对应。如 图象与横轴包围的
“面积”大小表示位移大小。
(5)截距:表示横、纵坐标两物理量在“边界”条件下的物理量的大小。由此往往能得到一个很有
意义的物理量。
【典型例题】
x t− v t−
x t− v t−
0x 0v
1t 1x
1t 1v
1t
v t−
x t− v t−
v t−第 5 页 共 17 页
类型一、关于位移图象的理解
例 1、某物体的位移图象如图所示,若规定向东为位移的正方向,试求;物体在 OA、AB、BC、CD、DE
各阶段的速度。
【思路点拨】要理解位移图像所表示的物理意义。
【解析】物体在 t=0 开始从原点出发向东行做匀速直线运动,历时 2s;接着在第 3s~5s 内静止;第 6s 内
继续向东做匀速直线运动;在第 7s~8s 内匀速反向西行,至第 8s 末回到出发点;在第 9s~12s 内从原点
向西行做匀速直线运动。
由 x-t 图得各阶段的速度如下:
OA 段:
AB 段:物体静止,速度为 0
BC 段:
CD 段:
DE 段:
【点评】位移图象的斜率表示速度的大小和方向(斜率的正负表示速度的方向)。图象平行于 t 轴,说
明物体的速度为零,表示物体静止;图象斜率为正值,表示物体沿与规定方向相同的方向运动;图象斜率
为负值,表示物体沿与规定方向相反的方向运动。
举一反三
【变式】(2015 山西期末考)a、b、c 三个物体在同一条直线上运动,三个物体的位移-时
间图象如右图所示,图象 c 是一条抛物线,坐标原点是抛物线的顶点,下列说法中正确的是
A.a、b 两物体都做匀速直线运动,两个物体的速度相同
B.a、b 两物体都做匀速直线运动,两个物体的速度大小相同方向相反
C.在 0~5 s 的时间内,t=5 s 时,a、b 两个物体相距最远
D.物体 c 做匀加速运动,加速度为 0.2 m/s2
1
1
1
6 / 3 /2
xv m s m st
= = = ,向东
3
3
3
12 6 / 6 /1
xv m s m st
−= = = ,向东
4
4
4
0 12 / 6 /2
xv m s m st
−= = = − ,负号说明方向向西
5
5
5
4 0 / 1 /4
xv m s m st
− −= = = − ,向西第 6 页 共 17 页
【答案】a、b 两物体位移时间图像斜率大小相等方向相反,则二者做方向相反的匀速直线运动,在 0-5s
的时间内,t=5s 时,a、b 两物体相距最远,C 做匀加速直线运动,代入位移时间公式,可解得
类型二、运动图象描述相遇问题
例 2、如图所示是做直线运动的甲、乙两物体的 x-t 图象,下列说法中正确的是( )
A、甲启动的时刻比乙早 t1 B、当 t = t2 时,两物体相遇
C、当 t = t2 时,两物体相距最远 D、 当 t = t3 时,两物体相距 x1
【思路点拨】要理解位移图像所表示的物理意义。
【答案】ABD
【解析】由 x-t 图象可知甲物体是在计时起点从坐标原点 x1 处开始沿 x 负方向做匀速直线运动,乙物
体是在 t1 时刻开始从坐标原点沿 x 正方向做匀速直线运动,两物体在 t2 时刻相遇,然后远离,t3 时刻两
物体相距 x1,因此选项 ABD 正确。
【点评】x-t 图象中两图线相交说明两物体相遇,其交点 A 的横坐标表示相遇的时刻,纵坐标表示相
遇处对参考点的位移。
举一反三
【变式 1】如图所示,折线 a 是表示物体甲从 A 地向 B 地运动的位移图线,直线 b 是表示物体乙从 B
地向 A 地运动的位移图线,则下述说法中正确的是( )
A、甲、乙两物体是相向运动
B、甲物体是匀速运动,速度大小是 7.5m/s
C、甲、乙两物体运动 8s 后,在距甲的出发点 60m 处相遇
D、甲在运动中停了 4s
20.2 /a m s=第 7 页 共 17 页
【答案】ACD
【解析】由图象知,甲、乙两物体在开始运动时相距 100m,后来距离越来越小,甲向乙的出发点运动,
乙向甲的出发点运动,因而它们是相向运动,选项 A 正确。
两图线相交点表示了甲、乙同一时刻同一位置,即相遇的时刻与位置,故选项 C 正确。
甲在运动中有一段图线与时间轴平行,这表示甲在 4s 内位置始终没变,因而是静止的,选项 D 正确。
甲在全过程中并不是匀速运动,故选项 B 是错的。
【高清课程:图像法解决直线运动问题 14 页例 6】
【变式 2】速度时间图象如图所示,则( )
A、两物体两次相遇的时刻是 2s 和 6s
B、4s 后甲在乙前面
C、两物体相距最远的时刻是 2s 末
D、乙物体先向前运动 2s,随后向后运动
【答案】A
【变式 3】甲、乙两车某时刻由同一地点沿同一方向开始做直线运动,若以该时刻作为计时起点,得
到两车的 x-t 图象如图所示,则下列说法正确的是 ( )
A、t1 时刻乙车从后面追上甲车
B、t1 时刻两车相距最远 第 8 页 共 17 页
C、t1 时刻两车的速度刚好相等
D、0 到 t1 时间内,乙车的平均速度小于甲车的平均速度
【答案】A
类型三、关于速度图象的理解
例 3、(2016 天水市秦安二中模拟)甲、乙两车在一平直公路上从同一地点沿同一方向做直线运动,
它们的 v—t 图象如图所示。下列判断正确的是( )
A.乙车启动时,甲车在其前方 50 m 处
B.运动过程中,乙车落后甲车的最大距离为 75 m
C.乙车启动 10 s 后正好追上甲车
D.乙车超过甲车后,两车不会再相遇
【答案】ABD
【解析】根据速度图线与时间轴包围的面积表示位移,可知乙在 t=10 s 时启动,此时甲的位移为
,即甲车在乙前方 50 m 处,故 A 正确。
当两车的速度相等时相距最远,最大距离为 ,故 B 正确。
由于两车从同一地点沿同一方向做直线运动,当位移相等时两车才相遇,由图可知,乙车启动 10 s 后位移
小于甲的位移,还没有追上甲,故 C 错误。
乙车超过甲车后,由于乙的速度大,所以不可能再相遇,故 D 正确。故选 ABD。
【总结升华】速度-时间图像与时间轴所包围的面积表示对应时间内的位移大小,根据两车的速度关系和位
移关系就能分析出何时相遇。
举一反三
【变式 1】一物体自 t=0 时开始做直线运动,其速度图线如图所示。下列选项正确的是 ( )
A、在 0~6s 内,物体离出发点最远为 30m
B、在 0~6s 内,物体经过的路程为 40m
C、在 0~4s 内,物体的平均速率为 7.5m/s
D、在 5~6s 内,物体所受的合外力做负功
【答案】BC
【解析】对 A,0—5s,物体向正向运动,5—6s 向负向运动,故 5s 末离出发点最远,A 错;
对 B,由面积法求出 0—5s 的位移 s1=35m, 5—6s 的位移 s2=-5m,总路程为 40m,B 对 ;
1 10 10m 50m2x = × × =
max
1 1(5 15) 10m 10 5m 75m2 2s = × + × − × × =第 9 页 共 17 页
对 C,由面积法求出 0—4s 的位移 s=30m,平度速度为 v=s/t=7.5m/s ,C 对;
对 D,由图像知 5~6s 过程物体加速,合力和位移同向,合力做正功,D 错。
【高清课程:图像法解决直线运动问题 9 页例 4】
【变式 2】如图所示是某汽车的速度图像。由图像可知,在 0-4 秒内汽车做 运动,平均速度
是 m/s。4—7s 内汽车做 运动,平均速度是 m/s。7—10s 内汽车做
运动,平均速度是 m/s。
【答案】匀加速直线 1.25 匀速直线 2 匀减速直线 1
类型四、关于位移与速度图象的区别
例 4、如图中的甲、乙分别表示位移图象和速度图象,试比较两形状完全相同图象的物理意义。
【思路点拨】要理解位移图象与速度图像所表示的物理意义的不同点。
【解析】请看下表:
第 10 页 共 17 页
【点评】对于物理图象主要观测方法是:首先看横、纵轴表示的物理量;其次看图象从横纵轴上直接
可获取的信息,联系实际,搞清物理情景。
举一反三
【高清课程:图像法解决直线运动问题 7 页例 3】
【变式 1】有四个运动的物体 A、B、C、D,物体 A、B 运动的 s-t 图像如图甲所示,物体 C、D 运动的
v-t 图像如图乙所示,由图像可以判断出物体 A 做的是____________运动;物体 C 做的是_____________运
动。在 0-3s 的时间内,物体 B 运动的位移为____m,物体 D 运动的位移为_______m。
【答案】匀速直线 初速度为零的匀加速直线 10 37.5
【变式 2】如图所示,甲、乙、丙、丁是以时间为横轴的匀变速直线运动的图象,下列说法正确的是( )第 11 页 共 17 页
A.甲是 a-t 图象 B.乙是 s-t 图象
C.丙是 s-t 图象 D.丁是 v-t 图象
【答案】C
【 解 析 】 由 匀 变 速 直 线 运 动 速 度 v=v0+at 和 位 移 s=v0t+ at2 两 公 式 , 可 得 选 项 C 正 确 .1
2第 12 页 共 17 页
【巩固练习】
一、选择题:
1、如图所示为三个做直线运动的物体,A、B、C 相对于同一质点的位移图象,在时间 t0 内下列说法
正确的是( )
A、A 的平均速度最大
B、C 的平均速度最大
C、B 的平均速度最小
D、三者平均速度一样大
2、某同学匀速向前走了一段路后,停下一会,然后沿原路匀速返回出发点,图中能反映此同学运动
情况的 x-t 图线应是( )
3、如图给出的是物体的运动图线,纵坐标 v 表示速度,横坐标 t 表示时间,其中哪一个在现实生活
中不可能存在( )
4、(2015 深圳三中期末考)如图示为一物体做直线运动的 v﹣t 图象,则在 0~t 1 和 t1~t2 时间内
( )
A. 速度方向相同 B. 速度方向相反
C . 加速度方向相同 D. 加速度方向相反
5、物体沿直线运动的速度图象如图所示,则物体做( )第 13 页 共 17 页
A、来回的往复运动
B、变速直线运动
C、某一方向的直线运动
D、不能确定
6、(2015 期末考)图为一物体做匀变速直线运动的速度—时间图线,根据图线做出的以下判断
中,正确的是( )
A 物体始终沿正方向运动
B 物体先沿负方向运动,在 t=2 s 后开始沿正方向运动
C 在 t=2 s 前物体位于出发点负方向上,在 t=2 s 后位于出发点正方向上
D 在 t=2 s 时,物体距出发点最远
7、甲、乙两质点在一直线上做匀加速直线运动的 v-t 图象如图所示,在 3 s 末两质点在途中相遇,两质
点出发点间的距离是 ( )
A、甲在乙之前 2 m
B、乙在甲之前 2 m
C、乙在甲之前 4 m
D、甲在乙之前 4 m
8、如图所示是某质点做直线运动的 v-t 图象,由图可知这个质点的运动情况是 ( )
A、前 5 s 做的是匀速运动
B、5 s~15 s 内做匀加速运动,加速度为 1 m/s2
C、15 s~20 s 内做匀减速运动,加速度为-3.2 m/s2
D、质点 15 s 末离出发点最远,20 秒末回到出发点第 14 页 共 17 页
9、从同一地点同时开始沿同一直线运动的两个物体Ⅰ、Ⅱ的速度—时间图象如图所示.在 0~t2 时间内,
下列说法中正确的是 ( )
A、Ⅰ物体所受的合外力不断增大,Ⅱ物体所受的合外力不断减小
B、在第一次相遇之前,t1 时刻两物体相距最远
C、t2 时刻两物体相遇
D、Ⅰ、Ⅱ两个物体的平均速度大小都是
10、(2016 山西大学附中模拟)一个静止的质点,在 0~8 s 内沿一条直线运动,加速度 a 随时间 t 的变
化图线如图所示。则质点在( )
A.第 1 s 末速度方向改变 B.第 8 s 末速度为 4 m/s
C.2 s 内物体的位移为 2.5 m D.第 8 s 末回到原出发点
二、解答题:
1、如图所示是 A、B 两物体的 x—t 图象,试判定:
(1)A、B 两物体各做什么运动?
(2)前 3s 内 A、B 的位移各是多少?
(3)第 3s 内 A、B 的位移各是多少?
(4)A、B 两物体的运动速度为多少?
1 2
2
v v+第 15 页 共 17 页
2、(2016 湛江市徐闻一中模拟)汽车由静止开始在平直的公路上行驶,0~60 s 内汽车的加速度随时间变
化的图线如图所示。
(1)画出汽车在 0~60 s 内的 v—t 图线;
(2)求在这 60 s 内汽车行驶的路程:第 16 页 共 17 页
【答案与解析】
一、选择题:
1、D
解析:从图上可以看出 A、B、C 在时间 t0 内的运动,虽然路程不一样,但相对于出发点的位移是相
同的, 因而三者平均速度一样大。
2、C
解析:匀速直线运动的 x-t 图象是一条倾斜的直线,静止物体的 x-t 图象平行于 t 轴, 返回时是
向着参考点运动,相对参考点的位移越来越小,而时间不能倒退,所以选项 C 正确。
3、D
解析:在现实生活中时间是不可能后退的,所以 D 是不可能存在的。
4、 AD
解析:A、根据 知,速度变化量很大,加速度可能很小.故 A 正确.
B、根据 知,加速度方向与速度变化的方向相同.故 B 错误.
C、加速度是反映速度变化快慢的物理量,速度变化越来越快,则加速度越来越大.故 C 错误.
D、当加速度方向与速度方向相同,加速度越来越小,速度越来越大.故 D 正确.
5、BC
解析:从 v-t 图象可以看出,虽然物体运动的速度在变化,但始终是向着一个方向运动的,没有来回
的往复运动,A、D 错,B、C 对。
6、BD
解析:根据图像的定义,倾斜程度代表加速度,所谓面积代表位移。物体的速度先负后正说明速度方向改
变了,从面积的大小可以看出在 t=2s 时,物体距出发点最远,而在 4s 时又回到出发点。所以正确答案为
BD。
7、D
解析:甲、乙两质点在 3 s 末在途中相遇时,各自的位移为 2 m 和 6 m,因此两质点出发
点间的距离是甲在乙之前 4 m.
8、AC
解析:由图象可知前 5 s 做的是匀速运动,A 正确;5 s~15 s 内做匀加速运动,但加速度
为 0.8 m/s2,B 错误;15 s~20 s 做匀减速运动,其加速度为-(16/5) m/s2=-3.2 m/s2,C 正确;质点
在 20 s 末离出发点最远,质点一直做的是方向不变的直线运动,D 错误.
9、B
解析:速度—时间图象中Ⅰ物体的斜率逐渐减小,即Ⅰ物体的加速度逐渐减小,所以Ⅰ物体所受合外力不
断减小,A 错误;在 0~t1 时间内,Ⅱ物体的速度始终大于Ⅰ物体的速度,所以两物体间距离不断增大,
当两物体速度相等时,两物体相距最远,B 正确;在速度—时间图象中图线与坐标轴所围面积表示位移,
故到 t2 时刻,Ⅰ物体速度图线所围面积大于Ⅱ物体速度图线所围面积,两物体平均速度不可能相同,C、D
错误.
10、BC
解析:物体在第 1 s 内从静止开始匀加速运动,第 2 s 内沿原方向做匀减速运动,则 1 s 末速度方向不变,
故 A 错误;
根据“面积”等于速度的变化量可知,8 s 末物体的速度 v=4×(2×1-1×1)=4 m/s,故 B 正确;
第 1 s 内的位移 ,1 s 末的速度 v1=at=2 m/s,则第 2 s 内的位移
,则 2 s 内物体的位移为 x=1+1.5=2.5 m,故 C 正确;
2 s 末的速度 v2=v1+a2t2=2-1×1=1 m/s,则 0~8 s 内物体一直沿正方向运动,位移一直增大,8 s 末不可
va t
∆= ∆
va t
∆= ∆
2
1 1 1
1 1 2 1 1m2 2x a t= = × × =
2
2 1 2 2 2
1 12 1 1 1 1.5m2 2x v t a t= + = × − × × =第 17 页 共 17 页
能回到出发点,故 D 错误。故选 BC。
二、解答题:
1、答案见解析
解析:(1)根据 x—t 图象的物理意义,可以看出 A 物体做的是从距坐标原点 3m 处负方向的匀速直线运
动,B 物体做的是从距坐标原点-2m 处正方向的匀速直线运动。
(2)前 3s 内 A 的位移是-3m,B 的位移是 5m。
(3)第 3s 内 A 的位移是-1m,B 的位移是 m。
(4)x—t 图象的斜率即为物体的运动速度,因此 A 物体的运动速度为-1m/s,B 物体的运动速度为 m/s。
2、
解析:(1)设 t=10 s、40 s、60 s 时刻的速度分别为 v1、v2、v3。
由图知 0~10 s 内汽车以加速度 2 m/s2 匀加速行驶,由运动学公式得 v1=2×10 m/s=20 m/s,
由图知 10~40 s 内汽车匀速行驶,因此 v2=20 m/s,
由图知 40~60 s 内汽车以加速度 1 m/s2 匀减速行驶,由运动学公式得 v3=20+(-1)×20 m/s=0,
汽车在 0~60 s 内的 v—t 图线,如图所示。
(2)由 v—t 图线可知,在这 60 s 内汽车行驶的路程为 。
5
3
5
3
30 60 20m 900m2s
+= × =