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- 2021-05-23 发布
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专题02 运动学图像 追及、相遇问题
【专题导航】
目录
热点题型一 运动图象的理解 1
(一)图像的理解 3
(二)图像的理解 4
(三)图像的理解 6
(四)图像的理解 8
(五)图像的理解 8
(六)图像的理解 9
热点题型二 运动图象的应用 10
(一)图像的选择 10
(二)图像的转换 11
热点题型三 追及、相遇问题 13
13
14
【题型演练】 16
【题型归纳】
热点题型一 运动图象的理解
1.运动学图象主要有x-t、v-t、a-t图象,应用图象解题时主要看图象中的“轴”“线”“斜率”“点”“面积”“截距”六要素:
一般意义
x-t图象
v-t图象
a-t图象
轴
图象描述哪两个物理量之间的关系
纵轴—位移横轴—时间
纵轴—速度横轴—时间
纵轴—加速度横轴—时间
线
表示物理量y随物理量x的变化过程和规律
运动物体的位移与时间的关系
运动物体的速度与时间的关系
运动物体的加速度与时间的关系
斜率
k=,定性表示y随x变化的快慢
某点的斜率表示该点的瞬时速度
某点的斜率表示该点的加速度
某点的斜率表示该点加速度的变化率
点
两线交点表示对应纵、横坐标轴物理量相等
两线交点表示两物体相遇
两线交点表示两物体在该时刻速度相同
两线交点表示两物体该时刻加速度相同
面积
图线和时间轴所围的面积,也往往代表一个物理量,这要看两物理量的乘积有无意义
无意义
图线和时间轴所围的面积,表示物体运动的位移
图线和时间轴所围的面积,表示物体的速度变化量
截距
图线在坐标轴上的截距一般表示物理过程的“初始”情况
在纵轴上的截距表示t=0时的位移
在纵轴上的截距表示t=0时的速度
在纵轴上的截距表示t=0时的加速度
2.图象问题常见的是x-t和v-t
图象,在处理特殊图象的相关问题时,可以把处理常见图象的思想以及方法加以迁移,通过物理情境遵循的规律,从图象中提取有用的信息,根据相应的物理规律或物理公式解答相关问题.处理图象问题可参考如下操作流程:
3.x-t图象、v-t图象、a-t图象是如何描述物体的运动性质的
x-t图象中,若图线平行于横轴,表示物体静止,若图线是一条倾斜的直线,则表示物体做匀速直线运动,图线的斜率表示速度;
v-t图象中,若图线平行于横轴,表示物体做匀速直线运动,若图线是一条倾斜的直线,则表示物体做匀变速直线运动,图线的斜率表示加速度;
a-t图象中,若图线平行于横轴,表示物体做匀变速直线运动,若图线与横轴重合,则表示物体做匀速直线运动.
4.关于运动图象的三点提醒
(1)x t图象、v t图象都不是物体运动的轨迹,图象中各点的坐标值x、v与t一一对应.
(2)x t图象、v t图象的形状由x与t、v与t的函数关系决定.
(3)无论是x t图象还是v t图象,所描述的运动都是直线运动.
(一)图像的理解
位移图象的基本性质
(1)横坐标代表时刻,而纵坐标代表物体所在的位置,纵坐标不变即物体保持静止状态;
(2)位移图象描述的是物体位移随时间变化的规律,不是物体的运动轨迹,斜率等于物体运动的速度,斜率的正负表示速度的方向,质点通过的位移等于x的变化量Δx.
【例1】(多选)(2019·南京师大附中模拟)如图所示为一个质点运动的位移x随时间t变化的图象,由此可知
质点在0~4 s内 ( )
A.先沿x轴正方向运动,后沿x轴负方向运动 B.一直做匀变速运动
C.t=2 s时速度一定最大 D.速率为5 m/s的时刻有两个
【答案】CD
【解析】从图中可知正向位移减小,故质点一直朝着负方向运动,A错误;图象的斜率表示速度大小,故斜率先增大后减小,说明质点速率先增大后减小,即质点先做加速运动后做减速运动,做变速运动,但不是做匀变速直线运动,t=2 s时,斜率最大,速度最大,B错误,C正确;因为斜率先增大后减小,并且平均速度为5 m/s,故增大过程中有一时刻速度为5 m/s,减小过程中有一时刻速度为5 m/s,共有两个时刻速度大小为
5 m/s,D正确.
【变式1】a、b、c三个物体在同一条直线上运动,它们的位移—时间图象如图所示,其中a是一条顶点坐标为(0,10)的抛物线,下列说法正确的是 ( )
A. b、c两物体都做匀速直线运动,两个物体的速度相同
B.在0~5 s内,a、b两个物体间的距离逐渐变大
C.物体c的速度越来越大
D.物体a的加速度为0.4 m/s2
【答案】D
【解析】 xt图象的斜率表示速度,b和c为直线,斜率恒定,故b、c做匀速直线运动,但斜率正负不同,即速度正负不同,即方向不同,A、C错误;a的斜率为正,即速度为正,b的斜率为负,即速度为负,所以两者反向运动,故两物体间的距离越来越大,B正确;因为a是一条抛物线,即满足x=x0+kt2,类比从静止开始运动的匀加速直线运动位移时间公式x=at2可知物体a做匀加速直线运动,因为抛物线经过(0,10)点和(5,20)点,故x=10+0.4t2,所以a=0.4,解得a=0.8 m/s2,D错误.
【变式2】(2019·河北石家庄模拟)甲、乙两物体在同一水平地面上做直线运动,其运动的x t图象如图所示,已知乙物体从静止开始做匀加速直线运动.下列说法正确的是( )
A. 甲物体先做匀减速直线运动.后做匀速直线运动
B.在0~120 s内,乙物体的平均速度大小大于0.5 m/s
C.在0~120 s内,甲物体运动的位移大小大于乙物体运动的位移大小
D.乙物体在M点所对应的瞬时速度大小一定大于0.5 m/s
【答案】CD
【解析】根据位移图象斜率表示速度可知,甲物体先做匀速直线运动,后静止,选项A错误;在0~120 s内,乙物体的位移大小为s=60 m,平均速度大小为v==0.5 m/s,选项B错误;在0~120 s内,甲物体运动的位移大小为x甲=100 m-20 m=80 m,乙物体运动的位移大小为x乙=60 m-0 m=60 m,所以在0~120 s内,甲物体运动的位移大小大于乙物体运动的位移大小,选项C正确;根据匀变速直线运动的推论知,乙在t=60 s时的瞬时速度等于在0~120 s内的平均速度0.5 m/s,而乙物体做匀加速直线运动,所以乙物体在M点所对应的瞬时速度大小一定大于0.5 m/s,选项D正确.
(二)图像的理解
【例2】(2019·广州惠州调研)跳伞运动员从高空悬停的直升机跳下,运动员沿竖直方向运动,其v t图象如
图所示,下列说法正确的是
A.运动员在0~10 s内的平均速度大小等于10 m/s B.从15 s末开始运动员处于静止状态
C.10 s末运动员的速度方向改变 D.10~15 s内运动员做加速度逐渐减小的减速运动
【答案】 D
【解析】 0~10 s内,若运动员做匀加速运动,平均速度为v== m/s=10 m/s.根据图象的“面积”等于位移可知,运动员的位移大于匀加速运动的位移,所以由公式v=得知:0~10 s 内的平均速度大于匀加速运动的平均速度10 m/s,故A错误.由图知,15 s末开始运动员做匀速直线运动,故B错误.由图看出,运动员的速度一直沿正向,速度方向没有改变,故C错误.10~15 s图象的斜率减小,则其加速度减小,故10~15 s运动员做加速度减小的减速运动,故D正确.
【变式1】2017年8月28日,第十三届全运会跳水比赛在天津奥体中心游泳跳水馆进行,重庆选手施廷懋以总成绩409.20分获得跳水女子三米板冠军.某次比赛从施廷懋离开跳板开始计时,在t2时刻施廷懋以速度v2入水,取竖直向下为正方向,其速度随时间变化的规律如图所示,下列说法正确的是( )
A. 在0~t2时间内,施廷懋运动的加速度大小先减小后增大
B.在t1~t3时间内,施廷懋先沿正方向运动再沿负方向运动
C.在0~t2时间内,施廷懋的平均速度大小为
D.在t2~t3时间内,施廷懋的平均速度大小为
【答案】C
【解析】选C.v-t图象的斜率等于加速度,在0~t2时间内,施廷懋运动的加速度保持不变,A错误;运动方向由速度的正负决定,横轴下方速度为负值,施廷懋沿负方向运动,横轴上方速度为正值,施廷懋沿正方向运动,在t1~t3时间内,施廷懋一直沿正方向运动,B错误;0~t2时间内,根据匀变速直线运动的平均速度公式可知,施廷懋运动的平均速度大小为,C
正确;匀变速直线运动的平均速度大小等于初速度和末速度的平均值,而加速度变化时,平均速度大小应用平均速度的定义式求解.若在t2~t3时间内,施廷懋做匀减速运动,则她的平均速度大小为,根据v-t图线与坐标轴所围面积表示位移可知,在t2~t3时间内施廷懋的实际位移小于她在这段时间内做匀减速运动的位移,故在t2~t3时间内,施廷懋的平均速度小于,D错误.
【变式2】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图象如图所示.在这段时间内( )
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】选A.根据v-t图象下方的面积表示位移,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图象的斜率大小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3】如图所示,直线a与四分之一圆弧b分别表示两质点A、B从同一地点出发,沿同一方向做直线
运动的v t图,当B的速度变为0时,A恰好追上B,则A的加速度为( )
A. m/s2 B.2 m/s2 C. m/s2 D.π m/s2
【答案】C
【解析】设A的加速度为a,两质点A、B从同一地点出发,A追上B时两者的位移相等,即xa=xb,根据v t图象的“面积”表示位移,得at2=×π×22,由题知t=2 s,解得a= m/s2,故A、B、D错误,C正确.
(三) 图像的理解
a-t图象面积代表速度变化量
【例3】一辆摩托车在t=0时刻由静止开始在平直的公路上行驶,其运动过程的a-t
图象如图所示,根据已知信息,可知( )
A.摩托车的最大动能 B.摩托车在30 s末的速度大小
C.在0~30 s的时间内牵引力对摩托车做的功 D.10 s末摩托车开始反向运动
【答案】B
【解析】选B.由图可知,摩托车在0~10 s内做匀加速运动,在10~30 s内做减速运动,故10 s末速度最大,动能最大,由v=at可求出最大速度,但摩托车的质量未知,故不能求出最大动能,A错误;根据a-t图线与t轴所围的面积表示速度变化量,可求出30 s内速度的变化量,由于初速度为0,则可求出摩托车在30 s末的速度大小,B正确;在10~30 s内牵引力是变力,由于不能求出牵引力,故不能求出牵引力对摩托车做的功,C错误;由图线与时间轴围成的面积表示速度变化量可知,30 s内速度变化量为零,所以摩托车一直沿同一方向运动,D错误.
【变式】一质点由静止开始按如图所示的规律运动,下列说法正确的是 ( )
A.质点在2t0的时间内始终沿正方向运动,且在2t0时距离出发点最远
B.质点做往复运动,且在2t0时回到出发点
C.质点在时的速度最大,且最大的速度为D.质点在2t0时的速度最大,且最大的速度为a0t0
【答案】A
【解析】质点在0~时间内做加速度均匀增大的加速运动,在~t0时间内做加速度均匀减小的加速运动,在t0~时间内做加速度均匀增大的减速运动,在~2t0时间内做加速度均匀减小的减速运动,根据对称性,在2t0时刻速度刚好减到零,所以在2t0时质点离出发点最远,在t0时刻速度最大,故A正确,B、C错误;根据图象与时间轴所围面积表示速度,可知最大速度为a0t0,故D错误.
(三) 图像的理解
【例4.】一质点沿x轴正方向做直线运动,通过坐标原点时开始计时,其 -t图象如图所示,则( )
A.质点做匀速直线运动,初速度为0.5 m/s B.质点做匀加速直线运动,加速度为0.5 m/s2
C.质点在1 s末速度为2 m/s D.质点在第1 s内的位移大小为2 m
【答案】C
【解析】由图得=1+t,即x=t+t2,根据x=v0t+at2,对比可得v0=1 m/s,a= m/s2,解得a=1 m/s2,质点的加速度不变,说明质点做匀加速直线运动,初速度为1 m/s,加速度为1 m/s2,A、B错误;质点做匀加速直线运动,在1 s末速度为v=v0+at=(1+1×1) m/s=2 m/s,C正确.质点在第1 s内的位移大小x=(1+) m= m,D错误.
【变式】一个物体沿直线运动,从t=0时刻开始,物体的-t的图象如图所示,图线与纵、横坐标轴的交点分别为0.5 m/s和-1 s,由此可知( )
A.物体做匀加速直线运动 B.物体做变加速直线运动
C.物体的初速度大小为0.5 m/s D.物体的初速度大小为1 m/s
【答案】AC
【解析】选AC.图线的斜率为0.5 m/s2、纵截距为0.5 m/s.由位移公式x=v0t+at2两边除以对应运动时间t为=v0+at,可得纵截距的物理意义为物体运动的初速度,斜率的物理意义为物体加速度的一半.所以物体做初速度为v0=0.5 m/s,加速度大小为a=1 m/s2的匀加速直线运动.
(三) 图像的理解
【例5】(2019·青岛质检)一物体由静止开始运动,其加速度a与位移x关系图线如图所示.下列说法正确的
是 ( )
A.物体最终静止 B.物体的最大速度为
C.物体的最大速度为D.物体的最大速度为
【答案】C
【解析】物体运动过程中任取一小段,对这一小段v2-v=2a|¤x,一物体由静止开始运动,将表达式对位移累加,可得v2等于速度a与位移x关系图线与坐标轴围成的面积的2倍,则v2=2(a0x0+a0x0),解得物体的最大速度v=,故C项正确.
(三) 图像的理解
【例6】(2019·天水一中模拟)如图甲,一维坐标系中有一质量为m=2 kg的物块静置于x轴上的某位置(图
中未画出),从t=0时刻开始,物块在外力作用下沿x轴做匀变速直线运动,如图乙为其位置坐标和速率平
方关系图象,下列说法正确的是 ( )
A.t=4 s时物块的速率为2 m/s B.加速度大小为1 m/s2
C.t=4 s时物块位于x=4 m处 D.在0.4 s时间内物块运动的位移6 m
【答案】A
【解析】由x-x0=,结合图象可知物块做匀加速直线运动,加速度a=0.5 m/s2,初位置x0=-2 m,t=4 s时物块的速率为v=at=0.5×4 m/s=2 m/s,A正确,B错误;由x-x0=at2,得t=4 s时物块位于x=2 m处,C错误;由x=at2,在0.4 s时间内物块运动的位移x=?á0.5×0.42 m=0.04 m,D错误.
【变式】(2019·山东德州模拟)为检测某新能源动力车的刹车性能,现在平直公路上做刹车实验,如图所示是动力车整个刹车过程中位移与速度平方之间的关系图象,下列说法正确的是( )
A.动力车的初速度为20 m/s B.刹车过程动力车的加速度大小为5 m/s2
C.刹车过程持续的时间为10 s D.从开始刹车时计时,经过6 s,动力车的位移为30 m
【答案】AB
【解析】选AB.根据v2-v=2ax得x=v2-v,结合图象有=- s2/m,-v=40 m,解得a=-5 m/s2,v0=20 m/s,选项A、B正确;刹车过程持续的时间t==4 s,选项C错误;从开始刹车时计时,经过6 s,动力车的位移等于其在前4 s内的位移,x4=t=40 m,选项D错误.
热点题型二 运动图象的应用
(一)图像的选择
分析步骤:
(1)认真审题,根据题中所需求解的物理量,结合相应的物理规律确定横、纵坐标所表示的物理量.
(2)根据题意,结合具体的物理过程,应用相应的物理规律,将题目中的速度、加速度、位移、时间等物理量的关系通过图象准确直观地反映出来.
(3)题目中一般会直接或间接给出速度、加速度、位移、时间四个量中的三个量的关系,作图时要通过这三个量准确确定图象,然后利用图象对第四个量作出判断.
【例7】(2019·高密模拟)设物体运动的加速度为a、速度为v、位移为x.现有四个不同物体的运动图象如下
列选项所示,假设物体在t=0时的速度均为零,则其中表示物体做单向直线运动的图象是 ( )
【解析】 由位移—时间图象可知,位移随时间先增大后减小,1 s后反向运动,故A错误;由速度—时间图象可知,物体2 s内沿正方向运动,2~4 s沿负方向运动,方向改变,故B错误;由图象C可知物体在第1 s内做匀加速运动,第2 s内做匀减速运动,2 s末速度减为0,然后重复前面的过程,是单向直线运动,故C正确;由图象D可知物体在第1 s内做匀加速运动,第2 s内做匀减速运动,2 s末速度减为0,第3 s内沿负方向做匀加速运动,不是单向直线运动,故D错误.
【答案】 C
【变式1】小球从一定高度处由静止下落,与地面碰撞后回到原高度再次下落,重复上述运动.取小球的落地点为原点建立坐标系,竖直向上为正方向.下列速度v和位置x的关系图象中,能描述该过程的是( )
【答案】A
【解析】选A.小球从一定高度处由静止下落,与地面碰撞后能回到原高度,重复原来的过程,以落地点为原点,速度为零时,位移最大,速度最大时位移为零,设高度为h,则速度大小与位移的关系满足v2=2g(h-x),A项正确.
【变式2】.A物体从离地面高10 m处做自由落体运动,1 s后B物体从离地面高15 m处做自由落体运动,
下面物理图象中对A、B的运动状态描述合理的是 ( )
【答案】A
【解析】两者都做自由落体运动,速度在增大,C错误;根据公式可得位移是关于时间t的二次函数,D错误;因为A先下落,所以当B开始运动时,A已有了一定的速度,故A正确.
(二)图像的转换
图象转换时要注意的三点
(1)合理划分运动阶段,分阶段进行图象转换;
(2)注意相邻运动阶段的衔接,尤其是运动参量的衔接;
(3)注意图象转换前后核心物理量间的定量关系,这是图象转换的依据.
【例8】某物体做直线运动的v -t图象如图所示,据此判断四个选项中(F表示物体所受合力,x表示物体的
位移)正确的是 ( )
【答案】B
【解析】根据v -t图象的斜率可知:0~2 s内与6~8 s内物体的加速度大小相等、方向相同,故所受合力相同,A错误.2~6 s内物体的加速度恒定,合力恒定,且大小与0~2 s内的相同,方向与0~2 s内相反,B正确.根据v -t图象可知,0~4 s内物体先沿正方向做匀加速直线运动,然后做匀减速直线运动,4~8 s
内先沿负方向做匀加速直线运动,然后做匀减速直线运动,再结合v -t图线包围面积的意义可知,0~4 s内物体的位移不断增大,4 s末达到最大值,8 s末返回到出发点,C、D错误.
【变式1】(2019·武汉模拟)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
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图象正确的是 ( )
【答案】 C
【解析】 在0~1 s内,a1=1 m/s2,物体从静止开始做正向匀加速运动,速度图象是一条直线,1 s末速度v1=a1t=1 m/s,在1~2 s内,a2=-1 m/s2,物体将仍沿正方向运动,但要减速,2 s末时速度v2=v1+a2t=0,2~3 s内重复0~1 s内运动情况,3~4 s内重复1~2 s内运动情况,则C正确.
【变式2】(2019·济南调研)某同学欲估算飞机着陆时的速度,他假设飞机在平直跑道上做匀减速运动,飞机在跑道上滑行的距离为x,从着陆到停下来所用的时间为t,实际上,飞机的速度越大,所受的阻力越大,则飞机着陆时的速度应是( )
A.v= B.v=C.v> D.<v<
【答案】 C
【解析】选C.由题意知,当飞机的速度减小时,所受的阻力减小,因而它的加速度会逐渐变小,画出相应的v-t图象大致如图所示.根据图象的意义可知,实线与坐标轴包围的面积为x,虚线(匀减速运动)下方的?°面积?±表示的位移为t.应有t>x,所以v>,所以选项C正确.
热点题型三 追及、相遇问题
1.追及、相遇问题中的一个条件和两个关系
(1)一个条件:即两者速度相等,它往往是物体间能够追上、追不上或两者距离最大、最小的临界条件,也是分析判断的切入点.
(2)两个关系:即时间关系和位移关系,这两个关系可通过题干或画运动示意图得到.
2.追及、相遇问题常见的情况
假设物体A追物体B,开始时两个物体相距x0,有三种常见情况:
(1)A追上B时,必有xA-xB=x0,且vA?YvB.
(2)要使两物体恰好不相撞,两物体同时到达同一位置时速度相同,必有xA-xB=x0,vA=vB.
(3)若使两物体保证不相撞,则要求当vA=vB时,xA-xB<x0,且之后vA?üvB.
3.解题思路和方法
???
【例9】(多选)(2018·高考全国卷¡é¨°)甲、乙两汽车在同一条平直公路上同向运动,其速度—时间图象分别如
图中甲、乙两条曲线所示.已知两车在t2时刻并排行驶.下列说法正确的是 ( )
A.两车在t1时刻也并排行驶 B.在t1时刻甲车在后,乙车在前
C.甲车的加速度大小先增大后减小 D.乙车的加速度大小先减小后增大
【答案】 BD
【解析】 根据速度—时间图象与时间轴所围面积大小对应物体的位移大小,可知在t1~t2时间内,甲车位移大于乙车位移,又因为t2时刻两车相遇,因此t1时刻甲车在后,乙车在前,选项A错误,B正确;根据图象的斜率对应物体运动的加速度,可知甲、乙的加速度均先减小后增大,选项C错误,D正确.
【例10】(多选)(2018·高考全国卷¡é¨®) 甲、乙两车在同一平直公路上同向运动甲做匀加速直线运动,乙做匀
速直线运动.甲、乙两车的位置x随时间t的变化如图所示.下列说法正确的是( )
A.在t1时刻两车速度相等 B.从0到t1时间内,两车走过的路程相等
C.从t1到t2时间内,两车走过的路程相等 D.在t1到t2时间内的某时刻,两车速度相等
【答案】CD
【解析】由位移—时间图象的意义可知t1时刻两车在x1位置,图线的斜率不同,速度不等,A错;由于甲车起始位置不在原点,从0到t1时间内,两车走过的路程不等,B错;从t1到t2时间内,两车都从x1位置运动到x2位置,因此走过的路程相等,C对;从t1到t2时间内甲车图线的斜率先小于后大于乙车,因此在t1到t2时间内的某时刻,两车速度相等,D对.
【例11】(2019·河南中原名校第三次联考)如图所示,在两车道的公路上有黑白两辆车,黑色车停在A线位
置,某时刻白色车以速度v1=40 m/s通过A线后,立即以大小为a1=4 m/s2的加速度开始制动减速,黑色车
4 s后以a2=4 m/s2的加速度开始向同一方向匀加速运动,经过一定时间,两车都到达B线位置.两车可看
成质点.从白色车通过A线位置开始计时,求经过多长时间两车都到达B线位置及此时黑色车的速度大小.
【答案】 14 s 40 m/s
【解析】 设白色车停下来所需的时间为t1,减速过程通过的距离为x1,则v1=a1t1
v=2a1x1
解得x1=200 m,t1=10 s
在t1=10 s时,设黑色车通过的距离为x2,
则x2=a2(t1-t0)2
解得x2=72 m