v-t图象的理解与应用
湖北省恩施高中陈恩谱
v-t图象是最重要的运动图象,也是高考考查的热点,深入的理解v-t图象,并灵活的应用v-t图象,
是每一个高中理科生必须做到的。结合多年的教学经验,笔者对v-t图象的理解和应用有如下总结,供大
家参考。
一、v-t图象的理解
1、速度信息及其直观表示
v-t图象上某点(t,v)表示t时刻物体的瞬时速度为v,v的正负表示物体的速度与规定正方向相同或
者相反,显然,v-t图象只能用于表示直线运动的规律。
物体速度信息的提取,除了看图象上的点的纵坐标v之外,还可以采用如右
图所示的箭头来直观表示,v大于0,箭头指向规定的正方向,v小于0,箭头指 v v 向规定的正方向的反方向。这样表示,就不至于把减速运动看成是反向运动了,
同时也较方便将图象转译成实际的运动过程。
2、图象的斜率 O t t (v
v-t图象的斜率k
(就是物体的加速度a,斜率的大小表示加速度的大小,
(t
斜率的正负表示物体的加速度方向与规定的正方向相同或者相反。
注意,不要把v-t图象的斜率k
(v
(与图线与横轴的夹角α的正切tanα简单
(t
的等同——当横轴或纵轴的标度取得不一样时,加速度相同,图线与横轴的夹角
α却会不一样,比如横轴上用相同的长度表示更长的时间,则加速度不变的情况
下,图线与横轴的夹角α会增大。 3
2
1
O
3
2
1
O v/m·s-1
a=1m/s2
123t/s
v/m·s-1
a=1m/s2
246t/s 3、图象与横轴所围的面积
一段时间内物体的v-t图象与横轴所围的面积表示这段时间内物体发生的位 v 移,横轴以上的面积为正,表示物体的位移方向与规定的正方向相同,横轴以下
的面积为负,表示物体的位移方向与规定的正方向相反。如右图图所示,物体做
匀变速往返运动,在t1~t2内物体的位移是上下两部分面积的代数和(或面积大小 O t1 t2 t
的差值)。
由v-t图象与横轴所围的面积的变化可以直观的了解物体位移的变化情况。 v 如右图所示,物体从坐标原点出发向正方向做匀加速直线运动,则0~t1时间内物
体的位移为图中的面积s1,t1~t2内的位移为图中的面积s2,0~t2时间内物体的位
移为图中的面积s1+s2,t2~t3内的位移为图中的面积s3,0~t3时间内物体的位移为 O s1s
2s3
t1t2t3 t4
s4 t 图中的面积s1+s2+s3,t3~t4内的位移为图中的面积s4,0~t4时间内物体的位移为图
中的面积s1+s2+s3+s4=s1+s2+s3-|s4|……
二、v-t图象的应用
1、直观的展示运动过程
【例1】一个质点做方向不变的直线运动,加速度的方向始终与速度的方向相同,但加速度大小先保持
不变,再逐渐减小至零,则在此过程中()
A.速度先逐渐增大,然后逐渐减小,当加速度减小到零时,速度达到最小值
B.速度先均匀增大,然后增大得越来越慢,当加速度减小到零时,速度达到最大值
C.位移逐渐增大,当加速度减小到零时,位移将不再增大
D.位移先逐渐增大,后逐渐减小,当加速度减小到零时,位移达到最小值 v 【解析】加速度方向与速度方向同向,速度应增大,当加速度不变时,速度
均匀增大,v-t图象的斜率保持不变;当加速度减小时,速度仍增大,但增大得越
来越慢,v-t图象的斜率逐渐减小;当加速度为零时,速度达到最大值并保持不变, O t1t2 t v-t图象的斜率变为0,与横轴平行。由上述分析可知,选项A错误,B正确;因质点速度方向不变化,始
终向前运动,最终做匀速运动,所以位移一直在增大,选项C、D均错误。
故本题选B。
【例2】一电荷量为q(q>0)、质量为m的带电粒子在匀强电场的作用下,在
t=0时由静止开始运动,场强随时间变化的规律如图所示。不计重力。求在t=0
到t=T的时间间隔内,
(1)粒子位移的大小和方向;
(2)粒子沿初始电场反方向运动的时间。
T、T~T、T~3T、3T
【解析】(1)带电粒子在0~~T时间间隔内做匀变速运动,设加速度分别为a1、
442244a2、a3、a4,由牛顿第二定律得
qE0qE0qE0qE0
a1=,a2=-2×,a3=2×,a4=-
。
mmmm
由此得带电粒子在0~T时间间隔内运动的a—t图像如图甲所示,对应的v—t图像如图乙所示,其中
T=qE0T
v1=a1×
44m
T
由图乙可知,带电粒子在t=0到t=T的时间间隔内位移大小为s=v1
4qE0
解得s=T2,方向沿初始电场正方向。
16m
35
(2)由图乙可知,粒子在t=T到t=T内沿初始电场的反方向运动,总的运动时间t为
8853T
t=T-T=。
884
2、不同过程的定性比较
【例3】一辆警车在平直的公路上以40m/s的速度行驶,现在要到达前方某地时的速度也为40m/s,有
三种行进方式:a一直匀速直线运动;b先减速再加速;c先加速再减速,则
A.a种方式先到达B.b种方式先到达
C.c种方式先到达D.条件不足,无法确定
【解析】作出三种方式的v—t图象,由于到达出事地点时三种方式的位移大
小(图象与横轴所围的面积)相等、速度大小相等,由图象看出c种方式所用时
【解析】作出三种方式的v—t图象,由于到达出事地点时三种方式的位移大
小(图象与横轴所围的面积)相等、速度大小相等,由图象看出c种方式所用时
小(图象与横轴所围的面积)相等、速度大小相等,由图象看出c种方式所用时
间最短,则c种方式先到达.
故选C。 O v c
a b tcta tb t 【例4】甲乙两地相距s(1.6km,摩托车的加速度为a1(1.6m/s2,减速时的加速度为a1(6.4m/s2
摩托车从甲地往乙地所用最短时间为多少?运动过程中的最大速度为多少?
【解析】建立如图1所示的图象,图象中梯形的“面积”即为甲乙两地的距离,在保证“面积”不变的情
况下要使运动时间变小,只有把梯形变成三角形。
v(t(t)
s,
(mat(at,
12
1122
2
t(t(t
12
联立以上三式得:最短时间为t=50s,最大速度为vm=64m/s。
3、物体的相对运动问题 v
vm t 两个物体在同一条直线上运动,若将两物体的v-t图象画在同一个坐标系内,则一段时间内两物体的
图象与横轴所围的面积之差——也就是这段时间内两图象之间所围的面积,表示两物体在这段时间内的位移的差值;注意,这个面积之差未必是两者之间的距离,这要看两者初始位置是
否相同,如果初始位置相同,则这个面积之差表示两者的距离,如果初始位置不
同,则这个面积之差仅仅表示两物体的位移的差值。
由两物体v-t图象与横轴所围的面积之差的变化,可以直观的了解两物体位移
差值的变化情况。如右图所示,0~t1时间内两物体的位移之差为图中的面积s1,t1~t2
内两物体的位移之差为图中的面积s2,0~t2时间内两物体的位移之差为图中的面
积s1+s2,t2~t3内两物体的位移之差为图中的面积s3,0~t3时间内两物体的位移之差为图中的面积s1+s2+s3,
t3~t4内两物体的位移之差为图中的面积s4,0~t4时间内两物体的位移之差为图中的面积s1+s2+s3-s4……
【例5】a、b两个物体从同一地点同时出发,沿同一方向做匀变速直线运动,若初速度不同,加速度
相同,则在运动过程()
A.a、b的速度之差保持不变
B.a、b的速度之差与时间成正比
C.a、b的位移之差与时间成正比vA
D.a、b的位移之差与时间的平方成正比B
【解析】将a、b两个物体的v—t图象画在同一幅图上,由图可知两物体的 v1 速度之差保持不变,故A正确,B错误;两图线之间的面积即两物体的位移之差,
由图可知两物体的位移之差随时间成正比增加,故C正确,D错误。 v2
O t故本题选AC。
【例6】在水平直轨道上有两列火车A和B相距x,A车在后面做初速度为v0、加速度大小为2a的匀
减速直线运动,而B车同时做初速度为零、加速度为a的匀加速直线运动,两车运动方向相同。要使两车
不相撞,求A车的初速度v0应满足什么条件。
【解析】利用v-t图象求解,先作A、B两车的v-t图象,如图所示,设经过时间t两车刚好不相撞,
则对A车有vA=v′=v0-2at
对B车有vB=v′=at
v0
以上两式联立解得t=
3a
经时间t两车发生的位移之差为原来两车间距离x,可用图中的阴影面积表示,
12
1v0=v
0
由图像可知x=v0·t=v0·
223a6a
所以要使两车不相撞,A车的初速度v0应满足的条件是v0≤6ax。
【例7】质量为m的子弹以某一初速度v0击中静止在粗糙水平地面上质量为M的木块,并陷入木块
一定深度后与木块相对静止,甲、乙两图表示了这一过程开始和结束时子弹和木块可能的相对位置,设地
面粗糙程度均匀,木块对子弹的阻力大小恒定,则下列说法中正确的是
甲图:木块对地位移小于木块长度乙图:木块对地位移大于木块长度
A.若M较大,则可能是甲图所示情形;若M较小,则可能是乙图所示情形
B.若v0较小,则可能是甲图所示情形;若v0较大,则可能是乙图所示情形
C.地面较光滑,则可能是甲图所示情形;地面较粗糙,则可能是乙图所示情形
D.无论m、M、v0的大小和地面粗糙程度如何,都只可能是甲图所示的情形
【解析】将子弹和木块的v-t图象画在一幅图上,如右图所示,图中S2表示
整个过程中木块的位移,S1代表子弹相对木块的位移,由图易得,S1>S2,子弹
未击穿木块,则有木块长度L>S1,故有L>S2,即无论m、M、v0的大小和地面
粗糙程度如何,都只可能是甲图所示的情形。
故本题选D。
【拓展】本题还可以用平均速度法轻松解决:设子弹与木块相对静止时的共v(vv
同速度为v,则这一过程中,子弹的位移为x0t
(,木块的位移为xt
2(,则子弹陷入木块的深度1
22v
为td
dxx0
(1((,设木块长度为L,则有L((x;无论m、M、v0的大小和地面粗糙程度如何,
22
2前述分析都成立,故D正确。
【例8】(多选)如图所示,水平传送带A、B两端相距s=3.5m,工件与传送带间的动摩擦因数μ=0.1。
工件滑上A端瞬时速度vA=4m/s,到达B端的瞬时速度设为vB,则(g取10m/s2)()
A.若传送带不动,则vB=3m/s
B.若传送带以速度v=4m/s逆时针匀速转动,vB=3m/sC.若传送带以速度v=2m/s顺时针匀速转动,vB=3m/sD.若传送带以速度v=2m/s顺时针匀速转动,vB=2m/s【解析】若传送带匀速转动,物块滑上传送带后,首先是加速或减速到与传送带速度相等,然后随传
送带相对静止一起运动。
若传送带不动,设工件能滑到B端,则由匀变速运动规
律可知v2B-v2A=-2as,a=μg,代入数据解得vB=3m/s,其
与传送带的v-t图象关系如图1所示。
当满足选项B、C、D中的条件时,工件其与传送带的
v-t图象关系如图2所示,工件速度减为3m/s时还未达到与 4
3
2
1
O v/m·s-1
1 t/s 4
3
2
1
O v/m·s-1
1 t/s
传送带相对静止,就已经到达了B端,故选项A、B、C正确,D错误。
-4-4
故本题选ABC。
【拓展】根据前述分析,若传送带的速度取其他的值,工件到达B端的速度的情况,也可以用v-t图象来分析,如下所示:
v/m·s-1v/m·s-1v/m·s-1
4
3
2
1
O v/m·s-1
1 4
3
2
1
O
t/s v/m·s-1
1 4
3
2
1
O
t/s v/m·s-1
1 4
3
2
1
O
t/s 1 2323
44
33
22
11
OO
t/s1t/s 1 t/s -4-4-4-4-4-4
图中23m/s是工件一直加速到B端的速度,若传送带的速度大于
vB/m·s-1
23m/s,则工件一直加速到B端也还没有与传送带相对静止。vB随传
送带速度v的变化规律如右图所示。
对v-t图象在两个物体相对运动中的应用,更加全面、深入的讨论,
请参看本书《叠加体问题的分析技巧》一节。 23
4
3
2
1 三、v-t图象的拓展
1、分速度-时间图象 O 3 23v/m·s
-1 某个方向上的分速度-时间图象的斜率表示这个方向上物体的加速度,图象与横轴所围的面积表示这个
方向上物体的位移。
【例8】如图甲所示,轻杆一端与一小球相连,另一端连在光滑固定轴上,可在竖直平面内自由转动。
现使小球在竖直平面内做圆周运动,到达某一位置开始计时,取水平向右为正方向,小球的水平分速度vx
随时间t的变化关系如图乙所示。不计空气阻力。下列说法中正确的是()A.t1时刻小球通过最高点,图乙中S1和S2的面积相等B.t2时刻小球通过最高点,图乙中S1和S2的面积相等
C.t1时刻小球通过最高点,图乙中S1和S2的面积不相等D.t2时刻小球通过最高点,图乙中S1和S2的面积不相等【解析】由机械能守恒可知,小球通过最低点时速度最大,此速度是水平的,即图乙中的最低点,由
小球运动的周期性和对称性可知,t1时刻小球通过最高点。根据题意知,题图乙中S1面积表示小球从最低点经过四分之一圆周的水平位移,S2面积表示再经过四分之一圆周到最高点的水平位移大小,可知S1和S2的面积相等,故A正确。
本题选A。【拓展】小球过最高点后,水平速度有可能增大,也有可能减小,这取决于杆中弹力的方向(重力是
竖直的,不改变水平分速度),若小球在最高点速度较大,杆对小球的弹力为向下的拉力,其水平分量与
水平分速度方向相反,则小球的水平分速度减小,若小球在最高点速度较小,杆对小球的弹力为向上的支持力,其水平分量与水平分速度方向相同,则小球的水平分速度增大,由图乙可知,本题属于后面这种情
况。
2、速率-时间图象
(v
由
a(
(可知,速率-时间图象的斜率表示物体沿轨迹切向方向的加速度分量(投影),由(s(v(t
(t
可知,速率-时间图象与横轴所围表示物体在对应时间内发生的路程。
【例9】如图6所示,两物体由高度相同、路径不同的光滑斜面由静止下滑,物体通过两条路径的长
度相等,通过C点前后速度大小不变,且到达最低点B、D时两点的速度大小相等,
则下列说法正确的是
A.物体沿AB斜面运动时间较短
B.物体沿ACD斜面运动时间较短
C.物体沿两个光滑斜面运动时间相等
D.无法确定
【解析】由于两斜面光滑,且物体通过C点前后速度大小不变,两物体到达斜面最低点的速度大小相
等,而且两物体运动路程相等,故可利用速率—时间图象进行分析比较.从图中可以
看出,沿ACD运动时,起始阶段加速度较大,故其速率—时间图象起始阶段斜率较大,
且二者末速度相等,为了保证最后速度大小一样且包围的面积(路程)一样,可以看到
通过AB的时间t1大于通过ACD的时间t2,所以沿ACD斜面运动时间较短,故B正
确.
本题选B。
针对训练:
1、如图所示,t=0时,质量为0.5kg的物体从光滑斜面上的A点由静止开始下滑,经过B点后进入水平
面(经过B点前后速度大小不变),最后停在C点。每隔2s物体的瞬时速度记录在下表中,重力加速度g
=10m/s2,则下列说法中正确的是()
t/s0246v/(m·s-1)08128
A.t=3s的时刻物体恰好经过B点
B.t=10s的时刻物体恰好停在C点
C.物体运动过程中的最大速度为12m/s
D.A、B间的距离小于B、C间的距离
解析:选BD根据图表中的数据,可以求出物体下滑的加速度a1=4m/s2和在水平面上的加速度a2
=-2m/s2。根据运动学公式:8+a1t1+a2t2=12,t1+t2=2,解出t1=410
s,知经过s到达B点,到达B
3340
点时的速度v=a1t=m/s。如果第4s还在斜面上的话,速度应为16m/s,从而判断出第4s已过B点,
3
是在2s到4s之间经过B点。所以最大速度不是12m/s,故A、C均错误。第6s末的速度是8m/s,0-8
到停下来还需的时间t′=s=4s,所以到C点的时间为10s,故B正确。根据v2-v02=2ax,求出AB
-2
段的长度为200400
m,BC段长度为m,则A、B间的距离小于B、C间的距离,故D正确。
99
2、[多选]甲、乙两车在一平直公路上同向运动,其v-t图像如图所示,图中△OPQ、△OQT
的面积分别为s1、s2(s2>s1)。初始时,甲车在乙车前方s0处。则()
A.若s0=s1+s2,两车不会相遇B.若s0 解析:选ABC由题图可知甲的加速度a1比乙的加速度a2大,在达到速度相等的时间T内两车相对位移为s1。若s0=s1+s2,速度相等时乙车还没有追上,此后甲车比乙车快,不可能追上,A对;若s0 =s2(s2>s1),两车速度相等时乙车还没有追上甲车,并且甲车快,之后更追不上,D错。
3、[多选](2016·全国卷Ⅰ)甲、乙两车在平直公路上同向行驶,其中v-t图像如图所示。已知两车在t=3s
时并排行驶,则()
A.在t=1s时,甲车在乙车后
B.在t=0时,甲车在乙车前7.5m
C.两车另一次并排行驶的时刻是t=2s
D.甲、乙车两次并排行驶的位置之间沿公路方向的距离为40m
[解析]由题图知,甲车做初速度为0的匀加速直线运动,其加速度a甲=10m/s2。
1
乙车做初速度v0=10m/s、加速度a乙=5m/s2的匀加速直线运动。3s内甲、乙车的位移分别为:x甲=a
甲
2
1
t32=45m,x乙=v0t3+a乙t32=52.5m。由于t=3s时两车并排行驶,说明t=0时甲车在乙车前,Δx=x
乙
2
-x甲=7.5m,选项B正确;t=1s时,甲车的位移为5m,乙车的位移为12.5m,由于甲车的初始位置超
前乙车7.5m,则t=1s时两车并排行驶,选项A、C错误;甲、乙车两次并排行驶的位置之间沿公路方向
的距离为52.5m-12.5m=40m,选项D正确。
[答案]BD
4、跳伞运动员做低空跳伞表演,当直升飞机悬停在离地面224m高时,运动员离开飞机作自由落体运动.运
动5s后,打开降落伞,展伞后运动员匀减速下降.为了运动员的安全,要求运动员落地速度最大不得超过
5m/s.g=10m/s2.求:
(1)运动员展伞时,离地面的高度为多少?
(2)求匀减速下降过程中的加速度大小至少是多少?(3)运动员在空中运动的最短时间为多少?
解:(1)伞打开前运动员自由下落t0=5s,根据自由落体知识知运动员下落高度为:h= 1
2 gt02=125m 所以此时运动员离高度为:H=224-125m=99m
(2)伞打开时运动的速度为:v=gt0=50m/s,落地速度为:v′=5m/s
伞打开后运动员在下落H的过程中由速度位移关系有:v′2-v2=2aH
所以运动员下落的加速度为:a=(v''2?v2)/2H==-12.5m/s2,负号表示加速度方向与速度方向相反。
(3)根据速度时间关系为:v′=v+at伞打开后运动员运动时间为:t=(v''?v)/a=3.6s所以运动员运动的最短时间为:t总=t0+t=8.6s
5、如图所示,有一内壁光滑的闭合椭圆形管道,置于竖直平面内,MN是通过椭圆中心O点的水平线。
已知一小球从M点出发,初速率为v0,沿管道MPN运动,到N点的速率为v1,所需时间为t1;若该小球
仍由M点以初速率v0出发,而沿管道MQN运动,到N点的速率为v2,所需时间为t2。则()
A.v1=v2,t1>t2B.v1<v2,t1>t2C.v1=v2,t1<t2D.v1<v2,t1<t2
[解析]由于椭圆形管道内壁光滑,小球不受摩擦力作用,因此小球从M到N
过程机械能守恒,由于M、N在同一水平高度,根据机械能守恒定律可知,小球在M、
N点的速率相等,B、D项错误;小球沿MPN运动的过程中,速率先减小后增大,而
沿MQN运动的过程中,速率先增大后减小,两个过程运动的路程相等,到N点速率
都为v0,根据速率随时间变化关系图像(如图)可知,由于两图像与时间轴所围面积相
等,因此t1>t2,A项正确,C项错误。
[答案]A
6、如图甲所示,轻杆一端与质量为1kg、可视为质点的小球相连,另一端可绕光滑固定轴在竖直平面内自
由转动.现使小球在竖直平面内做圆周运动,
经最高点开始计时,取水平向右为正方向, v/(m·s-1) 小球的水平分速度v随时间t的变化关系如图
乙所示,A、B、C三点分别是图线与纵轴、
横轴的交点、图线上第一周期内的最低点,
该三点的纵坐标分别是1、0、-5.g取10m/s2,
不计空气阻力.下列说法中正确的是()
A.轻杆的长度为0.5m
B.小球经最高点时,杆对它的作用力方 5
4
3
2
A
·
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6 B
·
0.40.81.21.62.02.42.83.2
·
C t/s 向竖直向下
C.B点对应时刻小球的速度为3m/s 甲乙 D.曲线AB段与坐标轴所围图形的面积为0.6m
【答案】D
【解析】A、设杆的长度为L,小球从A到C的过程中机械能守恒,得: 11
mv2(mgL(mv2
2
AC
22 所以: v(v
22
LCA0.6m
((,故A错误;
4g B、若小球在A点恰好对杆的作用力是0,则: v
2
0
L (mg,临界速度: v(gL(ms(v(ms
06A1
由于小球在A点的速度小于临界速度,所以小球做圆周运动需要的向心力小于重力,杆对小球的作用力的
方向向上,是竖直向上的支持力,故B错误;
11
mv2(mgL(mv2,所以:
C、小球从A到B的过程中机械能守恒,得:
AB
22
v(v2(2gL(13ms,故C错误;
BA
D、由于y轴表示的是小球在水平方向的分速度,所以曲线AB段与坐标轴所围图形的面积表示A到B的过程小球在水平方向的位移,大小等于杆的长度,即0.6m,故D正确。
7、如图所示,水平传送带沿顺时针方向以恒定速率v0匀速转动,传送带的右侧上方固定一挡板。在t=0
时刻,将一滑块轻轻放在传送带的左端。当滑块运动到挡板所在的位置时,与挡板
发生碰撞,已知碰撞时间极短,不计碰撞过程中的能量损失。某同学画出了滑块从
t=0时刻到与挡板第二次碰撞前的v-t图像,其中可能正确的是()
解析传送带沿顺时针方向匀速率转动,滑块轻放在传送带上,滑块先向右做初速度为零的匀加速直线运动,如果传送带足够长,滑块加速到与传送带的速度相同,即v0,然后与传送带一起做匀速直线运动,
与挡板碰撞后滑块以初速度v0向左做匀减速直线运动,当速度减为零后再向右做初速度为零的匀加速直线
运动,与挡板发生第二次碰撞时速度为v0,滑块在传送带上做变速运动时加速度大小相等,故A正确。
答案A
8、如图甲所示,倾斜的传送带正以恒定速率v1沿顺时针方向转动,传送带的倾角为37°。一物块以初速度v0从传送带的底部冲上传送带并沿传送带向上运动,其运动的v-t图象如图乙所示,物块到传送带顶端时
速度恰好为零,sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2,则()
A.传送带的速度为4m/s
B.传送带底端到顶端的距离为14m
1
C.物块与传送带间的动摩擦因数为
8
D.摩擦力方向一直与物块运动的方向相反
解析如果v0小于v1,则物块向上做减速运动时加速度不变,与题图乙不符,因此物块的初速度v0
一定大于v1。结合题图乙可知物块减速运动到与传送带速度相同时,继续向上做减速运动,由此可以判断
1
传送带的速度为4m/s,选项A正确;传送带底端到顶端的距离等于v-t图线与横轴所围的面积,即×(4
21
+12)×1m+×1×4m=10m,选项B错误;0~1s内,gsinθ+μgcosθ=8m/s2,1~2s内,gsinθ-μgcosθ
2
=4m/s2,解得μ=1
,选项C错误;在1~2s内,摩擦力方向与物块的运动方向相同,选项D错误。
4答案A
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