除v-t圖象外,我們還可以用公式描述物體運動的速率與時間的關(guān)系。對于勻變速直線運動來說,我們可以把運動開始時刻取作0時刻,則由0時刻到t時刻的時間間隔,而t時刻的速率與開始時刻的速率之差就是速率的變化量,即。代入加速度定義式,,整理得。這就是勻變速直線運動的速率與時間的關(guān)系式。
這個公式里,(有時也用表示)稱作末速率,稱作初速率,就是速率的變化量。這個公式的涵義就是末速率=初速率+速率的變化量。
因為加速度a在數(shù)值上等于單位時間內(nèi)速率的變化量,所以at就是t時間內(nèi)速率的變化量,再加上運動開始時物體的速率勻速直線運動,就得到t時刻物體的速率。
再來看一下通過v-t圖象說明這個公式。
勻變速直線運動的圖象是一條傾斜的直線,在圖中縱座標表示速率,對應(yīng)點的座標就是速率的大小,速率變化所用的時間是t,斜率,而BC=t,所以AB=at,就是速率的變化量;這么末速率。
這個公式不僅用在勻加速直線運動中,同樣可以用在勻減速直線運動中,并且公式中的都是矢量,用的時侯一定要規(guī)定正方向,之后帶著正負號進行估算;一般規(guī)定以初速率的方向為正方向。
例題:一輛車輛以36km/h的速率在平直道路上勻速行駛。從某時刻起,它以的加速度加速,10s末因故忽然緊急制動,此后車輛停了出來。制動時做勻減速運動的加速度大小是。
(1)車輛在10s末的速率是多少?
(2)車輛從煞車到停出來用了多長時間?
剖析:車輛經(jīng)歷三個階段的運動,勻速運動,勻加速運動和勻減速運動。勻速運動的速率就是勻加速運動的初速率,勻加速運動的時間是10s,勻加速運動的末速率也是勻減速運動的初速率,兩段勻變速運動的加速度都是已知的,按照公式代入估算即可。并且要注意,車輛制動最終停出來,表示末速率為0;勻減速直線運動的初速率與加速度方向相反,所以要規(guī)定正方向。
解:(1)車輛做勻加速直線運動
已知,,,求
依據(jù)公式有。
(2)以車輛做勻減速運動時的初速率方向為正方向,已知,,,求
依據(jù)公式得
車輛10s末的速率為16m/s,從制動停出來要2.67s。
注意:本題的兩問之間在估算的時侯互不干擾,所以個數(shù)學量并未用角標分辨,配合必要的文字說明才能抒發(fā)清楚的時侯沒必要將解題過程復雜化。這是物理解題時的一個特性。
假如物體做勻加速直線運動,加速度與初速率方向相同,加速度為正,這么末速率小于初速率,顯著是加速運動。
假如物體做勻減速直線運動,加速度與初速率方向相反,加速度為負,這么末速率大于初速率,顯著是減速運動。
一般減速運動速率最終會弄成0,假若時間足夠長,物體可能會反向加速運動,但要注意的是,并不是所有減速運動停出來后就會反向加速。例如車輛的減速停出來,小鐵塊在磨擦的作用下減速停出來,它們停出來之后都不會向后運動;因而對于它們來說速率結(jié)果弄成負值都是不合理的。這個時侯的最終速率只能為0。
例題:一輛車輛以初速率10m/s勻速運動,忽然開始制動,制動時加速度大小為,求煞車后1s和制動后3s的速率。
剖析:車輛開始制動后做勻減速直線運動,速率方向和加速度方向相反,所以要規(guī)定正方向,制動后最終要停出來勻速直線運動,末速率為0,不可能反向運動。
解:以車輛運動的初速率方向為正方向,已知,,,求。
由公式可得,時,當時,速率是負值,說明車輛反向運動,這顯著是不合理的,這說明3s的時侯車輛早已停出來了,所以速率應(yīng)當為0,這才是正確答案。
再看一下課本的思索與討論
截取自人教版小學數(shù)學
從圖象中就能看出隨著時間的變化速率仍然在減小;圖中在相等的兩段時間間隔內(nèi),對應(yīng)的速率變化量是不一樣的,這么按照加速度的公式可以看出每段時間對應(yīng)的加速度都不相同,所以物體做的是加速度漸漸減少的變加速直線運動。
總結(jié)
勻變速直線運動的速率與時間的關(guān)系用公式抒發(fā)為,通常地,代表初速率,代表末速率。