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- 2021-05-24 发布
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第三节匀变速直线运动的位移与时间的关系
三维目标
知识与技能
1. 知道匀速直线运动的位移与时间的关系。
2. 了解位移公式的推导方法,掌握位移公式 x=v0+(1/2)at2。
3. 理解匀变速直线运动位移与时间的关系及其应用。
4. 理解 v-t 图象中图线与 t 轴所夹的面积表示物体在这段时间内运动的位移。
5. 能推导并掌握位移与速度的关系式 v2-v02=2ax。
6. 会适当地选用公式对匀变速直线运动的问题进行简单的分析和计算。
过程与方法
1. 通过近似推导位移公式的过程,体验微元法的特点和技巧,能把瞬时速度的
求法与此比较。
2. 感悟一些数学方法的应用特点。
情感态度与价值观
1. 经历微元法推倒位移公式和公式法推导速度位移关系,培养自己动手的能力,
增加物理情感。
2. 体验成功的快乐和方法的意义,增强科学能力的价值观。
教学重点
1. 理解匀变速直线运动的位移与时间的关系 x=v0+(1/2)at2。
2. 理解匀变速直线运动的位移与速度的关系 v2-v02=2ax 及其应用。
教学难点
1. v-t 图象中图线与 t 轴所夹的面积表示物体在这段时间内运动的位移。
2. 微元法推导位移时间关系式。
3. 匀变速直线运动的位移与时间的关系 x=v0+(1/2)at2 及其灵活应用。
教具
课时安排
2 课时
教学过程
[引入]前面我们学习了匀变速直线运动速度随时间的变化规律,对于运动的问题,
人们不仅关注物体的速度随时间的变化规律,而且还希望知道物体运动的位移随时
间的变化规律。这节课就来研究物体做匀变速直线运动位移随时间的变化规律。
[板书]一、匀速直线运动的位移
[分析]我们先从最简单的一种运动方式入手分析,我们取初始时刻质点所在的位置
为坐标原点,则有 t 时刻原点的位置坐标 x 与质点在 0~t 一段时间间隔内的位移相
同。得出位移公式 x=vt。现在,大家根据速度—时间图象的意义,画出匀速直线运
动的速度—时间图象。
大家观察所画的图象,列式子求出图中矩形的面积。(可以看到,矩形的面
积正好是 vt)
当速度值正好是正值或负值,它们的位移有什么不同?(当速度为正值时,
x=vt>0,图线与时间轴所围成的矩形在时间轴的上方,表示位移方向与规定
的正方向相同;当速度为负值时,x=v<0,图线与时间轴所围成的矩形在时
间轴的下方,表示位移方向与规定的正方向相反;)
那么,对于匀变速直线运动,它的位移与 v-t 图象,是不是也有类似的关系呢?我
们下面一起来分析。
[思考与讨论]下面是一位同学所做的“探究小车的运动规律”的测量记录,我们知
道小车在做匀变速直线运动,表中得到了物体在 0、1、2……,5 几个位置的瞬时速
度,原始纸带没有保存,你能不能通过表中的数据估算小车从位置 0 到位置 5 的位
移?
位置编号 0 1 2 3 4 5
时间 t/s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
速 度
v/(m·s-1)
0.38 0.63 0.88 1.11 1.38 1.62
[ 分 析 ] 可 以 用 下 面 的 方 法 估 算 x=0.38 × 0.1+0.63 × 0.1+0.88 × 0.1+1.11 ×
0.1=……,用这样的方法进行计算,会带来一定的误差,因为,小车的速度在不断的
增加,表格中的速度只是某一个时刻的瞬时速度。
要提高估算的精确度,我们可以在当初实验记数据时减小时间间隔,当时间间
隔取得越小,精确度就越高。
下面我们结合图象来分析一下
甲某物体以初速度 v0 做匀变速直线运动的
速度——时间图象。
由上面的分析过程,我们知道实际上,v-t 图象下面的梯形 OABC 的面积,就等于做
匀变速直线运动的物体在 0(此时的速度是 v0)到 t(此时速度是 v)这段时间的位
移。
图中梯形 OABC 的面积是
S=(1/2)(OC+AB)×OA
把面积及各条线段换成所代表的物理量,上式变为
x=(1/2)(v0+v)t
又 v=v0+at,得到
x=v0t+(1/2)at2
乙每两个位置间的位移,正好等于以
(1/5)t 为底、以速度为高的细高矩形
的面积。矩形面积之和,可以粗略地表
示整个运动过程的位移。
丙如果各位置的时间间隔小一些,这些矩形面
积之和就能比较精确地代表整个运动的位移。
丁如果时间分得非常细,小矩形就会非常多,它
们的面积就等于 CB 斜线下的面积而十分准确地
代表整个运动的位移。
这就是表示匀变速直线运动的位移与时间关系的公式。
[思考]这个公式是否使用于匀减速直线运动?
[强调]应用公式时注意,公式中除了时间 t 外,其它的物理量都是矢量,物体做直
线运动时,矢量的方向性可以在选定正方向后,用正、负来体现。一般我们都选物
体运动方向或是初速度的方向为正,在匀减速运动中,如刹车问题中,尤其要注意
加速度的方向与运动方向相反。
[做一做] 教材 P42
分析:匀变速直线运动的 x-t 图象如右图所示(二次函数
图象的一部分),图象是一条曲线,位移图象反映的是位移随时
间的变化规律,可以根据物体在不同时刻的位移在 x-t 坐标
系中描点作出。直线运动是根据运动轨迹来命名的。而 x-t
图象中的图线不是运动轨迹,因此 x-t 图象中图线是不是直线与直线运动的轨迹没
有任何直接关系。
[例题]一辆汽车以 1m/s2 的加速度加速行驶了 12s,驶过了 180m。汽车开始加速时
的速度是多少?
分析我们研究的是汽车从开始加速到驶过
180m 这个过程。由题意可以知道,物体做匀加速直
线运动,所以可以用匀加速直线运动的规律。
解:由 x=v0t+(1/2)at2
得 v0=(x/t)-(1/2)at=(180m/12s)-(1/2)×1m/s2×12s=9m/s
汽车开始加速时的速度是 9m/s。
强调一般应该先用字母代表物理量进行运算,得出用已知量表示未知量的关系
式,然后再把数值代入式中,求出未知量的值。这样做能够清楚地看出未知量与已
知量的关系,计算也比较简便。
[课堂练习]
[板书]二、匀变速直线运动的位移与速度的关系
分析:上半节我们分析了匀变速直线运动位移和时间的关系。实际上,我们还
经常要用到物体的位移与速度的关系。我们来看下面的问题
问题射击时,火药在枪筒中燃烧。燃气膨胀,推动弹头加速运动。我们把子弹
在枪筒中的运动看做匀加速直线运动,假设子弹的加速度是 a=5×105m/s2,,枪筒长
x=0.64m,请计算射出枪口时的速度。
分析一般思路:根据 x=(1/2)at2 先求出运动的时间 t,然后根据 v=at 求出子弹
离开枪口的速度 v。
我们会注意到,这个问题中,已知条件和所求的结果都不设计时间 t,它只是一
个中间量。所以,我们在更一般的规律式 v=v0+at 和 x=v0t+(1/2)at2 中,消去 t,就
得到了位移与速度的直接关系式
v2-v02=2ax
这样,上述问题就可以通过这个式子直接解出。
如果问题的已知量和未知量都不涉及时间,则用上面的式子,往往会使问题变得简
单、方便。
[小结]通过本节课的学习,同学们应该掌握匀变速直线运动的两个基本公式:
x=v0t+(1/2)at2
v2-v02=2ax
在理解公式时,一定要注意结合速度——时间图象,掌握速度——时间图象中“面
积”的意义,在利用公式求解时,一定要注意公式的矢量性问题。在一般的情况下,
以初速度方向为正方向;当 a 与 v0 方向相同时,a 为正值,公式即反映了匀加速直
线运动的速度和位移随时间的变化规律;当 a 与 v0 方向相反,a 为负值,公式反映
了匀减速直线运动的速度和位移随时间的变化规律。代入公式求解时,与正方向相
同的物理量代入正值,与正方向相反的物理量应代入负值。
板书设计
一、匀速直线运动的位移
x=v0t+(1/2)at2
二、匀变速直线运动的位移与速度的关系
v2-v02=2ax
作业
P44 (2)(4)
教学心得