初中物理竞赛教程(基础篇):第6讲 运动图像 相对运动(附强化训练题及答案)
【内容简介】6.1 学习提要
6.1.1 正比例函数及图像
1. 正比例函数
一般地,两个变量x,y之间的关系式可以表示成形如y=kx(k为常数,且k≠0)的形式,那么y就叫做x的正比例函数。
2. 正比例函数图像
在平面直角坐标系中,正比例函数y=kx(k>0)的图像是一条过原点O的倾斜直线,这条直线直观地反映了函数y与自变量x的正比关系,如图6-1所示。
6.1.2 匀速直线运动图像
根据数学知识可知,匀速直线运动的路程s跟时间t之间的关系为s=vt,式中的路程s相当于正比例函数y=kx中的y,时间t相当于x,保持不变的速度v相当于比例系数k,因此,匀速直线运动的路程-时间图像是一条过原点的倾斜直线。
物体运动的规律不但可以用公式来表示,还可以用图像来表示。表示路程和时间关系的图像,叫路程-时间图像(s-t图像)。表示速度和时间关系的图像,叫速度-时间图像(v-t图像)。图像通常是根据实验测定的数据作出的。
例如,我们要研究一辆汽车在一段公路上运动的情况,可以在公路旁每隔100m站一名拿着停表的观测者,记下汽车到达每个观测者的时间,如图6-2所示。测量的结果记入表6-1.
在平面直角坐标系中,以纵轴表示路程s的值,横轴表示时间t,标出表示(4.9,100)、(10.0,200)、(15.1,300)、(19.9,400)的点,每个点代表一对数据。可以看出各点几乎都在一条通过原点的直线上,如图6-3中的直线l,有的点略微偏离这条直线,这是由于测量误差引起的。画出这条直线,就得到了汽车的路程-时间图像。
从图6-3可以看出,匀速直线运动的路程-时间图像是过原点的一条倾斜的直线,这样一条过原点的直线表示正比例函数,即时间t增大几倍,路程s也增大几倍,或者说s/t=恒量。而s/t=v,v是恒量,表示汽车是做匀速运动,根据图像中s、t的数值,可以求出汽车
的速度为v=20.0m/s。图6-3中的直线2是一辆匀速运动的自行车的路程-时间图像,它的速度为5.0m/s。
利用路程-时间图像不仅可以求出速度,还可以直接读出任一时间内的路程。例如,利用图6-3汽车的路程-时间图像,可以知道12s内汽车通过的路程为240m。同样,利用图像也可以直接读出通过任意路程所需的时间。
在平面直角坐标系中,以纵轴表示速度,横轴表示时间,根据实验数据可以画出速度-时间图像。匀速直线运动的速度不随时间而改变,所以它的速度-时间图像是平行于横轴的直线。图6-4是图6-3所表示的两个匀速直线运动的速度图像。图像表明,速度不随时间而改变。如果图像与横轴的距离越大,速度就越大。利用图像还可以求物体在时间t内通过的路程,数值上等于矩形OABt的面积,如图6-5所示。
6.1.3 相对运动的速度
两物体相对于地面的运动速度分别为v1和v2(v1>v2),当两物体沿一直线向相反方向运动时,若选其中之一为参照物,则另一物体相对于它的速度大小为原来相对于地面的速度之和,即v=v1+v2;当两物体沿一直线同方向运动时,若选其中一个为参照物,则另一个相对于它的速度大小为原来各自相对于地面的速度之差v=v1-v2。例如船在航行中考虑水流速度时,可以用上述方法求得合速度。
6.2 难点释疑
6.2.1 如何获得匀速直线运动图像信息
图6-6是一物体在某段时间内运动的路程-时间图像,从图像中可以获得许多关于物体运动的信息:如在0~2s内物体是做匀速直线运动,速度大小为1m/s;2~4s内物体处于静止状态;4~7s物体继续做匀速直线运动,速度大小为1.33m/s等。
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