Как найти ускорение по графику зависимости координаты

3.2.1. Как правильно понимать условия задачи?

Скорость тела увеличилась в n раз: nu=nnu_0.

Скорость уменьшилась в n раз: nu= дробь: числитель: nu_0, знаменатель: n конец дроби

Скорость увеличилась на 2 м/с: nu=nu_0 плюс 2.

Во сколько раз увеличилась скорость?  дробь: числитель: nu, знаменатель: nu_0 конец дроби .

Во сколько раз уменьшилась скорость?  дробь: числитель: nu_0, знаменатель: nu конец дроби .

Как изменилась скорость?  дробь: числитель: nu, знаменатель: nu_0 конец дроби .

На сколько увеличилась скорость? nu минус nu_0.

На сколько уменьшилась скорость? nu_0 минус nu.

Тело достигло наибольшей высоты: nu_y=0.

Тело прошло половину расстояния:  дробь: числитель: S, знаменатель: 2 конец дроби .

Тело бросают с земли: y_0=0, nu_0y не равно 0 (последнее условие часто ускользает из вида — если у тела скорость равна нулю, например у ручки, лежащей на столе, оно может полететь само вверх?), начальная скорость направлена вверх.

Тело бросают вниз: y_0 не равно 0, начальная скорость направлена вниз.

Тело бросают вверх: начальная скорость направлена вверх.

В момент падения на землю: y=0.

Тело выпадает из аэростата (воздушного шара): начальная скорость равна скорости аэростата (воздушного шара) и направлена в ту же самую сторону.

3.2.2. Как по графику скорости определить ускорение?

Закон изменения скорости имеет вид:

nu_x=nu_0x плюс a_x t.

Графиком этого уравнения является прямая линия. Так как a_x — коэффициент перед t, то a_x является угловым коэффициентом прямой.

Для графика 1:

a_x_1= дробь: числитель: Deltanu_x_1, знаменатель: Delta t_1 конец дроби .

То, что график 1 «поднимается вверх», означает — проекция ускорения положительна, т. е. вектор veca направлен в положительном направлении оси Ox. Пересечение графика с осью — изменение направления движения на противоположное.

Для графика 2:

a_x_2= дробь: числитель: Deltanu_x_2, знаменатель: Delta t_2 конец дроби .

То, что график 2 «опускается вниз», означает — проекция ускорения отрицательна, т. е. вектор veca направлен в отрицательном направлении оси Ox. Пересечение графика с осью — изменение направления движения на противоположное.

Для определения Deltanu_x и Delta t выбираем такие точки на графике, в которых можно точно определить значения, как правило, это точки, находящиеся в вершинах клеток.

3.2.3. Как по графику скорости определить пройденный путь и перемещение?

Как сказано в пункте 3.1.6 путь можно как площадь под графиком зависимости скорости от ускорения. Простой случай показан в пункте 3.1.6. Рассмотрим более сложный вариант, когда график скорости пересекает ось времени.

Напомним, что путь может только увеличиваться, поэтому путь, который проехало тело в примере на рисунке 9 равен:

S=S_1 плюс S_2 плюс S_3,

где S_1, S_2 и S_3 — площади фигур, закрашенных на рисунке.

Для определения перемещения нужно заметить, что в точках t_1 и t_2 тело меняет направление движения. Проезжая путь S_1, тело движется в положительном направлении оси Ox, так как график лежит над осью времени. Проезжая путь S_2, тело движется в обратную сторону, в отрицательном направлении оси Ox так как график лежит под осью времени. Проезжая путь S_3, тело движется в положительном направлении оси Ox, так как график лежит над осью времени. Таким образом, перемещение равно:

Delta r=|S_1 минус S_2 плюс S_3|.

Еще раз обратим внимание:

1) пересечение с осью времени означает поворот в обратную сторону;

2) площадь графика, лежащего под осью времени положительна и входит со знаком «+» в определение пройденного пути, но со знаком «−» в определении перемещения.

3.2.4. Как из графика зависимости ускорения от времени определить зависимость скорости от времени и координаты от времени?

Для того, чтобы определить требуемые зависимости необходимы начальные условия — значения скорости и координаты в момент времени t=0. Без начальных условий решить однозначно данную задачу невозможно, поэтому, как правило, в условии задачи они даны.

В данном примере постараемся привести все рассуждения в буквах, для того, чтобы частном примере (при подстановке цифр) не потерять суть действий.

Пусть в момент времени t=0, скорость тела равна нулю nu_0=0, и начальная координата x_0=0.

1) От 0 до t=t_1.

Начальные значения скорости и координаты определяем из начальных условий, а ускорение из графика:

a_x=a_1 больше 0,nu_01=0,x_01=0,

следовательно, движение равноускоренное и закон изменения скорости имеет вид:

nu_x_1=nu_01 плюс a_1 t=a_1 t,								x_1=x_01 плюс nu_01 t плюс дробь: числитель: a_1 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби = дробь: числитель: a_1 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

К концу данного промежутка времени (t=t_1) скорость (nu_k1) и координата (x_k1) будут равны (вместо времени в формулы nu_x_1=nu_01 плюс a_1 t=a_1 t и x_1=x_01 плюс nu_01 t плюс дробь: числитель: a_1 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби = дробь: числитель: a_1 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби нужно подставить t_1):

nu_k1=a_1 t_1,										x_k1= дробь: числитель: a_1 t_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

2) От t=t_1 до t=t_2.

Начальное значение скорости на этом промежутке должно быть равно конечному значению на предыдущем промежутке, начальное значение координаты равно конечному значению координаты на предыдущем промежутке, а ускорение определяем из графика:

a_x=0,nu_02=nu_k1,x_02=x_k1,

следовательно, движение равноускоренное и закон изменения скорости имеет вид:

nu_x_2=nu_02,										x_2=x_02 плюс nu_02 t.

К концу данного промежутка времени (t=t_2) скорость (nu_k2) и координата (x_k2) будут равны (вместо времени в формулы nu_x_2=nu_02 и x_2=x_02 плюс nu_02 t нужно подставить t_2):

nu_k2=a_1 t_1,x_k2= дробь: числитель: a_1 t_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби плюс a_1 t_1 t_2.

3) От t=t_2 до t=t_3.

Начальное значение скорости на этом промежутке должно быть равно конечному значению на предыдущем промежутке, начальное значение координаты равно конечному значению координаты на предыдущем промежутке, а ускорение определяем из графика:

a_x= минус a_2 меньше 0,nu_03=nu_k2,x_03=x_k2,

следовательно, движение равноускоренное и закон изменения скорости имеет вид:

nu_x3=nu_03 минус a_2 t,									x_3=x_03 плюс nu_03 t минус дробь: числитель: a_2 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

К концу данного промежутка времени (t=t_3) скорость (nu_k3) и координата (x_k3) будут равны (вместо времени в формулы nu_x3=nu_03 минус a_2 t и x_3=x_03 плюс nu_03 t минус дробь: числитель: a_2 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби нужно подставить t_3):

nu_k3=a_1 t_1 минус a_2 t_3,									x_k3= дробь: числитель: a_1 t_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби плюс a_1 t_1 t_2 плюс a_1 t_1 t_3 минус дробь: числитель: a_2 t_3 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Для лучшего понимания построим полученные результаты на графике (см. рис.)

На графике скорости:

1) От 0 до t=t_1: прямая линия, «поднимающаяся вверх» (т. к. a_1 больше 0);

2) От t=t_1 до t=t_2: горизонтальная прямая линия (т. к. a=0);

3) От t=t_2 до t=t_3: прямая линия, «опускающаяся вниз» (т. к.  минус a_2 меньше 0).

На графике координаты:

1) От 0 до t=t_1: парабола, ветви которой направлены вверх (т. к. a_1 больше 0);

2) От t=t_1 до t=t_2: прямая линия, поднимающаяся вверх (т. к. a=0);

3) От t=t_2 до t=t_3: парабола, ветви которой направлены вниз (т. к.  минус a_2 меньше 0).

3.2.5. Как из графика закона движения записать аналитическую формулу закона движения?

Пусть дан график равнопеременного движения.

Закон равнопеременного движения имеет вид:

x=x_0 плюс nu_0x t плюс дробь: числитель: a_x t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

В этой формуле три неизвестные величины: x_0, nu_0x и a_x.

Для определения x_0 достаточно посмотреть на значение функции при t=0. Для определения двух других неизвестных выбираем две точки на графике, значения которых мы можем точно определить — вершины клеток. Получим систему:

 система выражений x_1=x_0 плюс nu_0x t_1 плюс дробь: числитель: a_x t_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби ,x_2=x_0 плюс nu_0x t_2 плюс дробь: числитель: a_x t_2 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби . конец системы .

При этом считаем, что x_0 нам уже известно. Умножим 1-ое уравнение системы на t_2, а 2-ое уравнение на t_1:

 система выражений x_1 t_2=x_0 t_2 плюс nu_0x t_1 t_2 плюс дробь: числитель: a_x t_1 в квадрате t_2, знаменатель: 2 конец дроби ,x_2 t_1=x_0 t_1 плюс nu_0x t_2 t_1 плюс дробь: числитель: a_x t_2 в квадрате t_1, знаменатель: 2 конец дроби . конец системы .

Вычтем из 1-го уравнения 2-ое, после чего получаем:

a_x= дробь: числитель: 2x_0, знаменатель: t_1 t_2 конец дроби минус дробь: числитель: 2 левая круглая скобка x_1 t_2 минус x_2 t_1 правая круглая скобка , знаменатель: t_1 t_2 левая круглая скобка t_2 минус t_1 правая круглая скобка конец дроби .

Полученное из данного выражения значение a_x подставим в любое из уравнений системы (3.67) и решим полученное уравнение относительно nu_0x:

nu_0x= дробь: числитель: левая круглая скобка x_0 минус x_2 правая круглая скобка t_1 в квадрате минус левая круглая скобка x_0 минус x_1 правая круглая скобка t_2 в квадрате , знаменатель: t_1 t_2 левая круглая скобка t_2 минус t_1 правая круглая скобка конец дроби .

3.2.6. Как по известному закону движения определить закон изменения скорости?

Закон равнопеременного движения имеет вид:

x=x_0 плюс nu_0x t плюс дробь: числитель: a_x t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Это его стандартный вид для данного типа движения и никак иначе он выглядеть не может, поэтому его стоит запомнить.

В данном законе коэффициент перед t — это значение начальной скорости, коэффициент пред t в квадрате — это ускорение, деленное пополам.

Например, пусть дан закон: x=5 минус 6t плюс 3t в квадрате .

Тогда

nu_0x= минус 6м/с; дробь: числитель: a_x, знаменатель: 2 конец дроби =3 Rightarrow a_x=2 умножить на 3=6.

И уравнение скорости имеет вид:

nu_x= минус 6 плюс 6t.

Таким образом, для решения подобных задач, необходимо точно помнить вид закона равнопеременного движения и смысл коэффициентов, входящих в это уравнение.

Однако можно пойти и иным путем. Вспомним формулу:

nu_x=dot x левая круглая скобка t правая круглая скобка ̇=nu_0x плюс a_x t.

В нашем примере:

 левая круглая скобка 5 минус dot6t плюс 3t в квадрате правая круглая скобка =dot левая круглая скобка 5 правая круглая скобка минус 6dot левая круглая скобка t правая круглая скобка плюс 3dot левая круглая скобка t в квадрате правая круглая скобка = минус 6 плюс 3 умножить на 2t= минус 6 плюс 6t.

3.2.7. Как определить место и время встречи?

Пусть даны законы движения двух тел:

x_1=x_01 плюс nu_x_1 t плюс дробь: числитель: a_x_1 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби иx_2=x_02 плюс nu_x_2 t плюс дробь: числитель: a_x_2t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

В момент встречи тела оказываются в одной координате, то есть x_1=x_2 и необходимо решить уравнение:

x_01 плюс nu_x_1 t плюс дробь: числитель: a_x_1 t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби =x_02 плюс nu_x_2 t плюс a_x_2 дробь: числитель: t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Перепишем его в виде:

 дробь: числитель: левая круглая скобка a_x_2 минус a_x_1 правая круглая скобка , знаменатель: 2 конец дроби t в квадрате плюс левая круглая скобка nu_x_2 минус nu_x_1 правая круглая скобка t плюс левая круглая скобка x_02 минус x_01 правая круглая скобка =0.

Это квадратное уравнение, общее решение которого приводить не будем, в силу его громоздкости. Квадратное уравнение либо не имеет решений, что означает — тела не встретились; либо имеет одно решение — одна единственная встреча; либо имеет два решения — две встречи тел.

Полученные решения необходимо проверять на физическую реализуемость. Самое главное условие: t_1 больше 0 и t_2 больше 0, то есть время встречи должно быть положительным.

3.2.8. Как определить путь за -ую секунду?

Пусть тело начинает движение из состояния покоя и за -ую секунду проходит путь S_m. Требуется найти, какой путь проходит тело за n-ую секунду.

Для решения этой задачи необходимо воспользоваться формулой (3.25):

S_1:S_2:S_3:…:S_N=1:3:5:…: левая круглая скобка 2N минус 1 правая круглая скобка .

Обозначим S_1=S_0. Тогда

S_m= левая круглая скобка 2m минус 1 правая круглая скобка S_0,									S_n= левая круглая скобка 2n минус 1 правая круглая скобка S_0.

Поделим уравнение S_m= левая круглая скобка 2m минус 1 правая круглая скобка S_0 на S_n= левая круглая скобка 2n минус 1 правая круглая скобка S_0 и получим:

S_n= дробь: числитель: 2n минус 1, знаменатель: 2m минус 1 конец дроби S_m.

3.2.9. Как движется тело, брошенное вверх с высоты h?

Тело, брошено вверх с высоты h со скоростью nu_0.

Уравнение координаты y в произвольный момент времени:

y=h плюс nu_0 t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Уравнение проекции скорости в произвольный момент времени:

nu_y=nu_0 минус gt.

Время подъема до наивысшей точки полета t_1 определяется из условия nu_y=0:

0=nu_0 минус gt_1 Rightarrow t_1= дробь: числитель: nu_0, знаменатель: g конец дроби .

Для нахождения максимальной высоты H необходимо в y=h плюс nu_0 t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби необходимо подставить t=t_1:

H=h плюс nu_0 t_1 минус дробь: числитель: gt_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби =h плюс дробь: числитель: nu_0 в квадрате , знаменатель: 2g конец дроби .

Время всего полета t_2 определяется из условия y=0. Получаем уравнение:

0=h плюс nu_0 t_2 минус дробь: числитель: gt_2 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Это квадратное уравнение, которое имеет два решения, но в данной задаче тело может оказаться в координате y=0 только один раз. Поэтому среди полученных решений нужно одно «убрать». Главный критерий отсева — время полета не может быть отрицательным:

t_2= дробь: числитель: nu_0 плюс корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента , знаменатель: g конец дроби .

Скорость в момент падения:

 минус nu=nu_0 минус gt_2=nu_0 минус g дробь: числитель: nu_0 плюс корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента , знаменатель: g конец дроби = минус корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента , nu= корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента .

3.2.10. Как движется тело, брошенное вниз с высоты h?

Тело, брошено вверх с высоты h со скоростью nu_0.

Уравнение координаты y в произвольный момент времени:

y=h минус nu_0 t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Уравнение проекции скорости в произвольный момент времени:

nu_y= минус nu_0 минус gt.

Время всего полета t_1 определяется из уравнения:

0=h минус nu_0 t_1 минус дробь: числитель: gt_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Это квадратное уравнение, которое имеет два решения, но в данной задаче тело может оказаться в координате y=0 только один раз. Поэтому среди полученных решений нужно одно «убрать». Главный критерий отсева — время полета не может быть отрицательным:

t_1= дробь: числитель: минус nu_0 плюс корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента , знаменатель: g конец дроби .

Скорость в момент падения:

 минус nu= минус nu_0 минус gt_1= минус nu_0 минус g дробь: числитель: минус nu_0 плюс корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента , знаменатель: g конец дроби = минус корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента . nu= корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента .

3.2.11. Как движется тело брошенное вверх с поверхности земли?

Тело брошено вверх с поверхности земли со скоростью nu_0.

Уравнение координаты y в произвольный момент времени:

y=nu_0 t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Уравнение проекции скорости в произвольный момент времени:

nu_y=nu_0 минус gt.

Время подъема до наивысшей точки полета t_1 определяется из условия nu_y=0:

0=nu_0 минус gt_1 Rightarrow t_1= дробь: числитель: nu_0, знаменатель: g конец дроби .

Для нахождения максимальной высоты H необходимо в (3.89) необходимо подставить t=t_1:

H=nu_0 t_1 минус дробь: числитель: gt_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби = дробь: числитель: nu_0 в квадрате , знаменатель: 2g конец дроби .

Время всего полета t_2 определяется из условия y=0. Получаем уравнение:

0=nu_0 t_2 минус дробь: числитель: gt_2 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби Rightarrow t_2= дробь: числитель: 2nu_0, знаменатель: g конец дроби .

Скорость в момент падения:

 минус nu=nu_0 минус gt_2=nu_0.nu= минус nu_0.

Заметьте, что t_2=2t_1, что означает — время подъема равно времени падения на ту же высоту.

Также получили: |nu|=nu_0, то есть — с какой скоростью бросили, с такой же скоростью тело упало. Знак «−» в формуле nu= минус nu_0 указывает, что скорость в момент падения направлена вниз, то есть против оси Oy.

3.2.12. Тело побывало на одной высоте дважды…

При бросании тела оно может дважды оказаться на одной высоте — первый раз при движении вверх, второй — при падении вниз.

1) Когда тело оказывается на высоте h?

Для тела, брошенного вверх с поверхности земли справедлив закон движения:

y=nu_0 t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Когда тело окажется на высоте h его координата будет равна y=h. Получаем уравнение:

h=nu_0 t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби ,

решение которого имеет вид:

t_1= дробь: числитель: nu_0 минус корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате минус 2gh конец аргумента , знаменатель: g конец дроби ,									 t_2= дробь: числитель: nu_0 плюс корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате минус 2gh конец аргумента , знаменатель: g конец дроби ,

2) Известны времена t_1 и t_2, когда тело оказалось на высоте h. Когда тело окажется на максимальной высоте?

Время полета с высоты h назад до высоты h равно t_2 минус t_1. Как уже было показано, время подъема равно времени падения до той же высоты, поэтому время полета от высоты h до максимальной высоты равно:

t_h= дробь: числитель: t_2 минус t_1, знаменатель: 2 конец дроби .

Тогда время полета от начала движения до максимальной высоты:

t_под=t_1 плюс дробь: числитель: t_2 минус t_1, знаменатель: 2 конец дроби = дробь: числитель: t_1 плюс t_2, знаменатель: 2 конец дроби .

3) Известны времена t_1 и t_2, когда тело оказалось на высоте h. Чему равно время полета тела?

Все время полета равно:

t_0=2t_под=t_1 плюс t_2.

4) Известны времена t_1 и t_2, когда тело оказалось на высоте h. Чему равна максимальная высота подъема?

H= дробь: числитель: gt_под в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби = дробь: числитель: g левая круглая скобка t_1 плюс t_2 правая круглая скобка в квадрате , знаменатель: 8 конец дроби .

3.2.13. Как движется тело, брошенное горизонтально с высоты h?

Тело, брошено горизонтально с высоты h со скоростью nu_0.

Проекции начальной скорости на оси:

nu_0x=nu_0;nu_0y=0,

Проекции ускорения:

a_x=0;a_y= минус g .

Проекции скорости в произвольный момент времени t:

nu_x=nu_0;nu_y= минус gt.

Модуль скорости в произвольный момент времени t:

nu= корень из: начало аргумента: nu_x в квадрате плюс nu_y в квадрате конец аргумента = корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс левая круглая скобка gt правая круглая скобка в квадрате конец аргумента .

Координаты тела в произвольный момент времени t:

 система выражений x=nu_0 t,y=h минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби . конец системы .

Время полета t_1 определяется из условия y=0:

0=h минус дробь: числитель: gt_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби Rightarrow t_1= корень из: начало аргумента: дробь: числитель: 2h, знаменатель: g конец дроби конец аргумента .

Для определения дальности полета необходимо в уравнение для координаты x вместо t подставить t_1:

L=nu_0 t_1= дробь: числитель: 2hnu_0, знаменатель: g конец дроби .

Для определения скорости тела в момент падения необходимо в уравнение t_h= дробь: числитель: t_2 минус t_1, знаменатель: 2 конец дроби вместо t подставить t_1:

nu= корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс левая круглая скобка gt_1 правая круглая скобка в квадрате конец аргумента = корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс 2gh конец аргумента .

Угол, под которым падает тело на землю:

 тангенс альфа = дробь: числитель: |nu_y|, знаменатель: |nu_x| конец дроби = дробь: числитель: корень из: начало аргумента: 2gh конец аргумента , знаменатель: nu_0 конец дроби .

3.2.14. Как движется тело, брошенное под углом α к горизонту с высоты h?

Тело, брошено под углом α к горизонту с высоты h со скоростью nu_0.

Проекции начальной скорости на оси:

nu_0x=nu_0 косинус альфа ;nu_0y=nu_0 синус ⁡ альфа ,

Проекции ускорения:

a_x=0;a_y= минус g.

Проекции скорости в произвольный момент времени t:

nu_x=nu_0 косинус ⁡ альфа ;nu_y=nu_0 синус альфа минус gt.

Модуль скорости в произвольный момент времени t:

nu= корень из: начало аргумента: nu_x в квадрате плюс nu_y в квадрате конец аргумента = корень из: начало аргумента: левая круглая скобка nu_0 косинус ⁡ альфа правая круглая скобка в квадрате плюс левая круглая скобка nu_0 синус ⁡ альфа минус gt правая круглая скобка в квадрате конец аргумента .

Координаты тела в произвольный момент времени t:

 система выражений x=nu_0 косинус ⁡ альфа t,y=h плюс nu_0 синус альфа t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби . конец системы .

Время полета до наивысшей точки t_1 определяется из условия nu_y=0:

0=nu_0 синус ⁡ альфа минус gt_1 Rightarrow t_1= дробь: числитель: nu_0 синус альфа , знаменатель: g конец дроби .

Скорость в наивысшей точке полета nu_2:

nu_2=nu_0 косинус ⁡ альфа .

Максимальная высота H определяется при подстановке в закон изменения координаты y времени t_1:

H=h плюс nu_0 синус ⁡ альфа t_1 минус дробь: числитель: gt_1 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби =h плюс дробь: числитель: nu_0 в квадрате левая круглая скобка синус ⁡ альфа правая круглая скобка в квадрате , знаменатель: 2g конец дроби .

Все время полета t_2 находится из условия y=0, получаем уравнение:

0=h плюс nu_0 синус ⁡ альфа t_2 минус дробь: числитель: gt_2 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Это квадратное уравнение, которое имеет два решения, но в данной задаче тело может оказаться в координате y=0 только один раз. Поэтому среди полученных решений нужно одно «убрать». Главный критерий отсева — время полета не может быть отрицательным:

t_2= дробь: числитель: nu_0 синус ⁡ альфа плюс корень из: начало аргумента: левая круглая скобка nu_0 синус ⁡ альфа правая круглая скобка в квадрате плюс 2gh конец аргумента , знаменатель: g конец дроби .

Если подставим в закон изменения координаты x время t_2, то получим дальность полета L:

L=nu_0 косинус альфа t_2.

Скорость в момент падения t_2:

nu_2= корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс левая круглая скобка gt_2 правая круглая скобка в квадрате конец аргумента .

Угол, который образует вектор скорости с горизонталью в произвольный момент времени:

 тангенс фи = дробь: числитель: |nu_y|, знаменатель: |nu_x| конец дроби = дробь: числитель: nu_0 синус ⁡ альфа минус gt, знаменатель: nu_0 косинус альфа конец дроби .

Угол падения:

 тангенс бета = дробь: числитель: |nu_y|, знаменатель: |nu_x| конец дроби = дробь: числитель: nu_0 синус ⁡ альфа минус gt_2, знаменатель: nu_0 косинус альфа nu_0 конец дроби .

3.2.15. Как движется тело, брошенное под углом α к горизонту земли?

Тело, брошено под углом α к горизонту с поверхности земли со скоростью nu_0.

Проекции начальной скорости на оси:

nu_0x=nu_0 косинус альфа ;nu_0y=nu_0 синус альфа ,

Проекции ускорения:

a_x=0; a_y= минус g.

Проекции скорости в произвольный момент времени t:

nu_x=nu_0 косинус ⁡ альфа ; nu_y=nu_0 синус альфа минус gt.

Модуль скорости в произвольный момент времени t:

nu= корень из: начало аргумента: nu_x в квадрате плюс nu_y в квадрате конец аргумента = корень из: начало аргумента: левая круглая скобка nu_0 косинус альфа правая круглая скобка в квадрате плюс левая круглая скобка nu_0 синус ⁡ альфа минус gt правая круглая скобка в квадрате конец аргумента .

Координаты тела в произвольный момент времени t:

 система выражений x=nu_0 косинус ⁡ альфа t,y=nu_0 синус альфа ⁡ t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби . конец системы .

Время полета до наивысшей точки t_1 определяется из условия nu_y=0:

0=nu_0 синус ⁡ альфа минус gt_1 Rightarrow t_1= дробь: числитель: nu_0 синус ⁡ альфа , знаменатель: g конец дроби .

Скорость в наивысшей точке полета nu_2:

nu_2=nu_0 косинус ⁡ альфа .

Максимальная высота H определяется при подстановке в закон изменения координаты y времени t_1:

H= дробь: числитель: nu_0 в квадрате левая круглая скобка синус ⁡ альфа правая круглая скобка в квадрате , знаменатель: 2g конец дроби .

Все время полета t_2 находится из условия y=0, получаем уравнение:

0=nu_0 синус ⁡ альфа t_2 минус дробь: числитель: gt_2 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Получаем

t_2= дробь: числитель: 2nu_0 синус ⁡ альфа , знаменатель: g конец дроби .

Снова получили, что t_2=2t_1, то есть еще раз показали, что время подъема равно времени падения.

Если подставим в закон изменения координаты x время t_2, то получим дальность полета L:

L= дробь: числитель: 2nu_0 в квадрате косинус ⁡ альфа синус ⁡ альфа , знаменатель: g конец дроби = дробь: числитель: nu_0 в квадрате синус ⁡2 альфа , знаменатель: g конец дроби .

Скорость в момент падения t_2:

nu_3= корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс левая круглая скобка gt_2 правая круглая скобка в квадрате конец аргумента =nu_0.

Угол, который образует вектор скорости с горизонталью в произвольный момент времени:

 тангенс фи = дробь: числитель: |nu_y|, знаменатель: |nu_x| конец дроби = дробь: числитель: nu_0 синус ⁡ альфа минус gt, знаменатель: nu_0 косинус ⁡ альфа конец дроби .

Угол падения:

 тангенс бета = дробь: числитель: |nu_y|, знаменатель: |nu_x| конец дроби = дробь: числитель: nu_0 синус ⁡ альфа минус gt_2, знаменатель: nu_0 косинус ⁡ альфа nu_0 конец дроби = минус тангенс альфа .

то есть  альфа = бета .

3.2.16. Что такое настильная и навесная траектории?

Решим следующую задачу: под каким углом нужно бросить тело с поверхности земли, чтобы тело упало на расстоянии L от точки броска?

Дальность полета определяется формулой:

L= дробь: числитель: nu_0 в квадрате синус ⁡ 2 альфа , знаменатель: g конец дроби .

Отсюда

 синус ⁡2 альфа = дробь: числитель: gL, знаменатель: nu_0 в квадрате конец дроби .

Из физических соображений ясно, что угол α не может быть больше 90°, поэтому, из серии решений уравнения  синус ⁡2 альфа = дробь: числитель: gL, знаменатель: nu_0 в квадрате конец дроби подходят два корня:

 альфа _1= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби арксинус левая круглая скобка дробь: числитель: gL, знаменатель: nu_0 в квадрате конец дроби правая круглая скобка ,								  альфа _2= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби арксинус левая круглая скобка дробь: числитель: gL, знаменатель: nu_0 в квадрате конец дроби правая круглая скобка плюс дробь: числитель: Пи , знаменатель: 4 конец дроби .

Траектория движения, для которой  альфа = альфа _1 меньше 45 градусов называется настильной траекторией. Траектория движения, для которой  альфа = альфа _2 больше 45 градусов называется навесной траекторией.

3.2.17. Как пользоваться треугольником скоростей?

Как было сказано в 3.6.1 треугольник скоростей в каждой задаче будет иметь свой вид. Рассмотрим на конкретном примере.

Тело бросили с вершины башни со скорость nu_0 так, что дальность полета максимальна. К моменту падения на землю скорость тела равна nu. Сколько длился полет?

Построим треугольник скоростей (см. рис.). Проведем в ней высоту, которая, очевидно, равна nu_0 косинус ⁡α. Тогда площадь треугольника скоростей равна:

S= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби умножить на nu_0 косинус ⁡ альфа умножить на gt= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби g левая круглая скобка nu_0 косинус ⁡ альфа t правая круглая скобка = дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби gL.

Здесь мы воспользовались формулой (3.121).

Найдем площадь этого же треугольника по другой формуле:

S= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби nu_0 nu синус ⁡ бета .

Так как это площади одного и того же треугольника, то приравняем формулы S= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби умножить на nu_0 косинус ⁡ альфа умножить на gt= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби g левая круглая скобка nu_0 косинус ⁡ альфа t правая круглая скобка = дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби gL и S= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби nu_0 nu синус ⁡ бета :

 дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби gL= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби nu_0 nu синус бета .

Откуда получаем

L= дробь: числитель: nu_0 nu синус ⁡ бета , знаменатель: g конец дроби .

Как видно из формул для конечной скорости, полученных в предыдущих пунктах, конечная скорость не зависит от угла, под которым бросили тело, а зависит только значения начальной скорости и начальной высоты. Поэтому дальность полета по формуле L= дробь: числитель: nu_0 nu синус ⁡ бета , знаменатель: g конец дроби зависит только от угла между начальной и конечной скоростью β. Тогда дальность полета L будет максимальной, если  синус ⁡ бета примет максимально возможное значение, то есть

 синус бета =1 Rightarrow бета =90 градусов= дробь: числитель: Пи , знаменатель: 2 конец дроби .

Таким образом, если дальность полета максимальна, то треугольник скоростей будет прямоугольным, следовательно, выполняется теорема Пифагора:

 левая круглая скобка gt правая круглая скобка в квадрате =nu_0 в квадрате плюс nu в квадрате .

Откуда получаем

t= дробь: числитель: корень из: начало аргумента: nu_0 в квадрате плюс nu в квадрате конец аргумента , знаменатель: g конец дроби .

Свойством треугольника скоростей, который только что был доказан, можно пользоваться при решении других задач: треугольник скоростей является прямоугольным в задаче на максимальную дальность полета.

3.2.18. Как пользоваться треугольником перемещений?

Как было сказано в 3.6.2, треугольник перемещений в каждой задаче будет иметь свой вид. Рассмотрим на конкретном примере.

Тело бросают под углом β к поверхности горы, имеющей угол наклона α. С какой скоростью нужно бросить тело, чтобы оно упало ровно на расстоянии L от точки бросания?

Построим треугольник перемещений — это треугольник ABC (см. рис. 19). Проведем в нем высоту BD. Очевидно, что угол DBC равен α.

Выразим сторону BD из треугольника BCD:

BD= дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби косинус ⁡ альфа .

Выразим сторону BD из треугольника ABD:

BD=nu_0 t синус ⁡ бета .

Приравняем BD= дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби косинус ⁡ альфа и BD=nu_0 t синус ⁡ бета :

 дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби косинус ⁡ альфа = nu_0 t синус бета .

Откуда находим время полета:

t= дробь: числитель: 2nu_0 синус ⁡ бета , знаменатель: g косинус ⁡ альфа конец дроби .

Выразим AD из треугольника ABD:

AD=nu_0 t косинус ⁡ бета .

Выразим сторону DC из треугольника BCD:

DC= дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби синус ⁡ альфа .

Но AD плюс DC=L. Получаем

nu_0 t косинус ⁡ бета плюс дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби синус ⁡ альфа =L.

Подставим в это уравнение, полученное выражение для времени полета t= дробь: числитель: 2nu_0 синус ⁡ бета , знаменатель: g косинус ⁡ альфа конец дроби :

nu_0 дробь: числитель: 2nu_0 синус ⁡ бета , знаменатель: g косинус ⁡ альфа конец дроби косинус бета плюс дробь: числитель: g, знаменатель: 2 конец дроби синус альфа левая круглая скобка дробь: числитель: 2nu_0 синус ⁡ бета , знаменатель: g косинус ⁡ альфа конец дроби правая круглая скобка =L.

Окончательно получаем

nu_0= корень из: начало аргумента: дробь: числитель: gL, знаменатель: синус ⁡2 бета плюс тангенс альфа левая круглая скобка синус ⁡ бета правая круглая скобка в квадрате конец дроби конец аргумента .

3.2.19. Как решать задачи с помощью закона движения? (по горизонтали)

Как правило, в школе при решении задач на равнопеременное движение применяются формулы

nu=nu_0 плюс at;nu=nu_0 минус at;S=nu_0 t плюс дробь: числитель: at в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби ;S=nu_0 t минус дробь: числитель: at в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби ;S= дробь: числитель: nu в квадрате минус nu_0 в квадрате , знаменатель: 2a конец дроби ;S= дробь: числитель: nu_0 в квадрате минус nu в квадрате , знаменатель: 2a конец дроби ;S= дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби левая круглая скобка nu_0 плюс nu правая круглая скобка t.

Однако такой подход к решению трудно применить к решению многих задач. Рассмотрим конкретный пример.

Опоздавший пассажир подошёл к последнему вагону поезда в тот момент, когда поезд тронулся, начав движение с постоянным ускорением а = 0,3 м/с в квадрате . Единственная открытая дверь в одном из вагонов оказалась от пассажира на расстоянии L = 60м. Какую наименьшую постоянную скорость он должен развить, чтобы успеть сесть в поезд?

Введем ось Ox, направленную вдоль движения человека и поезда. За нулевое положение примем начальное положение человека («2»). Тогда начальная координата открытой двери («1») L:

x_01=L,x_02=0.

Дверь («1»), как и весь поезд, имеют начальную скорость равную нулю. Человек («2») начинает движение со скоростью nu_0:

nu_01=0;nu_02=nu_0.

Дверь («1»), как и весь поезд, движется с ускорением a. Человек («2») движется с постоянной скоростью:

a_1=a;a_2=0.

Закон движения и двери и человека имеет вид:

x=x_0 плюс nu_0x t плюс дробь: числитель: a_x t в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Подставим условия x_01=L,x_02=0;nu_01=0;nu_02=nu_0 и a_1=a;a_2=0 в уравнение для каждого из движущихся тел:

x_1=L плюс дробь: числитель: at в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .									 x_2=nu_0 t.

Мы составили уравнение движения для каждого из тел. Теперь воспользуемся уже известным алгоритмом для нахождения места и времени встречи двух тел — нам нужно приравнять x_1=L плюс дробь: числитель: at в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби и x_2=nu_0 t:

L плюс дробь: числитель: at в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби =nu_0 t.

Откуда получаем квадратное уравнение для определения времени встречи:

t в квадрате минус дробь: числитель: 2nu_0, знаменатель: a конец дроби t плюс дробь: числитель: 2L, знаменатель: a конец дроби =0.

Это квадратное уравнение. Оба его решения имеют физический смысл — наименьший корень, это первая встреча человека и двери (человек с места может побежать быстро, а поезд не сразу наберет большую скорость, так что человек может обогнать дверь), второй корень — вторая встреча (когда уже поезд разогнался и догнал человека). Но наличие обоих корней означает — человек может бежать и медленнее. Скорость будет минимальна, когда уравнение t в квадрате минус дробь: числитель: 2nu_0, знаменатель: a конец дроби t плюс дробь: числитель: 2L, знаменатель: a конец дроби =0 будет иметь один единственный корень, то есть

 левая круглая скобка дробь: числитель: 2nu_0, знаменатель: a конец дроби правая круглая скобка в квадрате минус дробь: числитель: 2L, знаменатель: a конец дроби =0.

Откуда находим минимальную скорость:

nu_0= корень из: начало аргумента: 2aL конец аргумента .

В таких задачах важно разобрать в условиях задачи: чему равны начальная координата, начальная скорость и ускорение. После этого составляем уравнение движения и думаем как дальше решать задачу. 

3.2.20. Как решать задачи с помощью закона движения? (по вертикали)

Рассмотрим пример.

Свободно падающее тело прошло последние 10 м за 0,5 с. Найти время падения и высоту, с которой упало тело. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Для свободного падения тела справедлив закон движения:

y=y_0 плюс nu_0y t минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

В нашем случае:

начальная координата: y_0=H;

начальная скорость: nu_0y=0.

Подставим условия в закон движения:

y=H минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Подставляя в уравнение движения y=H минус дробь: числитель: gt в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби нужные значения времени, будем получать координаты тела в эти моменты.

В момент падения t_0 координата тела y=0:

0=H минус дробь: числитель: gt_0 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

За Delta t=0,5 с до момента падения, то есть при t=t_0 минус Delta t, координата тела y=h:

h=H минус дробь: числитель: g левая круглая скобка t_0 минус Delta t правая круглая скобка в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби .

Уравнения 0=H минус дробь: числитель: gt_0 в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби и h=H минус дробь: числитель: g левая круглая скобка t_0 минус Delta t правая круглая скобка в квадрате , знаменатель: 2 конец дроби составляют систему уравнений, в которой неизвестны H и t_0. Решая эту систему, получим:

t_0= дробь: числитель: h, знаменатель: gDelta t конец дроби плюс дробь: числитель: Delta t, знаменатель: 2 конец дроби .									 H= дробь: числитель: g, знаменатель: 2 конец дроби левая круглая скобка дробь: числитель: h, знаменатель: gDelta t конец дроби плюс дробь: числитель: Delta t, знаменатель: 2 конец дроби правая круглая скобка в квадрате .

Итак, зная вид закона движения (3.30), и используя условия задачи для нахождения y_0 и nu_0y, получаем закон движения для данной конкретной задачи. После чего, подставляя нужные значения времени, получаем соответствующие значения координаты. И решаем задачу!

Содержание материала

  1. Как найти ускорение по графику формула?
  2. Видео
  3. Равноускоренное движение в направлении оси, скорость увеличивается
  4. Равноускоренное движение против оси
  5. Как составить уравнение скорости по графику?
  6. График отрицательной скорости для отрицательного ускорения
  7. Графики равноускоренного движения

Как найти ускорение по графику формула?

График ускорения — графическое представление уравнения ускорения тела а = а(t). График а(t) служит для описания движение тела. На этом графике представлено равноУскоренное движение. Как будут выглядеть графики, придуманные вами, можно увидеть здесь.

Видео

Равноускоренное движение в направлении оси, скорость увеличивается

Следующий набор графиков – это случай, когда тело движется вдоль оси Ox с возрастающей скоростью (рис. 4). То есть, мы рассматриваем равноускоренное движение.

Рис.4. Тело движется равноускорено – рис. а) по на

Рис.4. Тело движется равноускорено – рис. а) по направлению оси Ox. Изменение координаты от времени x(t) описывается правой ветвью параболы – рис. б), график v(t) скорости изображен наклонной возрастающей прямой – рис. в), а график неизменного ускорения a(t) – рис. г) изображается горизонтальной прямой, лежащей выше оси времени

Координата «x» теперь изменяется не по линейному, а по квадратичному закону. На графике квадратичное изменение выглядит, как ветвь параболы (рис. 4б). Тело движется по оси и скорость его растет. Такое движение описывается правой ветвью параболы, направленной вверх.

Уравнение, которое описывает квадратичное изменение координаты, выглядит так:

[ x = frac{a}{2}cdot t^{2} + v_{0} cdot t + x_{0} ]

Скорость, так же, растет (рис. 4в). Рост скорости описан наклонной прямой линией – то есть, линейной зависимостью:

[ v  = v_{0} + a cdot t ]

Ускорение есть (рис. 4г) и оно не меняется:

[ a = const ]

Скорость и ускорение сонаправлены с осью Ox, поэтому их проекции на ось положительны, а их графики лежат выше оси времени.

Примечания:

1). Координата «x» будет изменяться:

  • по линейному закону, когда скорость не меняется — остается одной и той же.
  • по квадратичному закону, когда скорость будет изменяться (расти, или убывать).

2). Линейный закон – это уравнение первой степени, на графике – наклонная прямая линия.

3). Квадратичный закон – это уравнение второй степени, на графике — парабола.

4). Когда скорость увеличивается, для графика координаты x(t) выбираем правую ветвь параболы, а когда скорость уменьшается – то левую ветвь.

Равноускоренное движение против оси

Если тело будет увеличивать свою скорость, двигаясь в направлении, противоположном оси (рис. 5а), то ветвь параболы, описывающая изменение координаты тела, будет направлена вниз (рис. 5б).

Скорость направлена против оси и увеличивается в отрицательную область. Такое изменение скорости изображаем прямой, направленной вниз (рис. 5в).

Рис.5. Тело движется равноускорено противоположно

Рис.5. Тело движется равноускорено противоположно оси Ox – рис. а). Координата меняется параболически – рис. б), ветвь правая, так как скорость растет. Скорость — рис. в), и ускорение — рис. г), направлены против оси Ox, их графики лежат ниже оси времени

Примечание: Чтобы скорость увеличивалась (по модулю), нужно, чтобы векторы скорости и ускорения были сонаправленными (ссылка).

Так как скорость увеличивается, то векторы скорости и ускорения сонаправлены. Но при этом, они направлены против оси, поэтому проекции векторов (vec{v}) и (vec{a}) на ось Ox будут отрицательными. Значит, графики скорости и ускорения будут лежать ниже горизонтальной оси времени.

Ускорение (рис. 5г) не изменяется, поэтому изображается горизонтальной прямой. Но эта прямая будет лежать ниже горизонтальной оси времени, так как ускорение имеет отрицательную проекцию на ось Ox.

Как составить уравнение скорости по графику?

График скорости График скорости — графическое представление уравнения скорости тела v = v(t). График v(t) служит для описания движение тела. На этом графике представлено равноУскоренное движение.

График отрицательной скорости для отрицательного ускорения

Когда объект удаляется от точки назначения по отрицательной оси, смещение объекта принимается как отрицательное по отрицательной оси Y. Если положение объекта отклоняется от направления его движения, то считается, что смещение объекта происходит в отрицательном направлении.

Отрицательная скорость В/с График времени

Отрицательная скорость В/с График времени

Выше приведен график зависимости скорости от времени для отрицательного ускорения. Видно, что скорость со временем уменьшается, наклон графика оказывается отрицательным, а значит, и ускорение отрицательное.

Графики равноускоренного движения

Зависимость ускорения от времени. Ускорение со временем не изменяется, имеет постоянное значение, график a(t) — прямая линия, параллельная оси времени.

Зависимость скорости от времени. При равномерном д

Зависимость скорости от времени. При равномерном движении путь изменяется, согласно линейной зависимости . В координатах . Графиком является наклонная линия.



Пусть начальная координата тела , скорость движе

Правило определения пути по графику v(t): Путь тела — это площадь треугольника (или трапеции) под графиком скорости.

Правило определения ускорения по графику v(t): Уск

Правило определения ускорения по графику v(t): Ускорение тела — это тангенс угла наклона графика к оси времени. Если тело замедляет движение, ускорение отрицательное, угол графика тупой, поэтому находим тангенс смежного угла.

Зависимость пути от времени. При равноускоренном д

Зависимость пути от времени. При равноускоренном движении путь изменяется, согласно квадратной зависимости . В координатах зависимость имеет вид . Графиком является ветка параболы.

График движения при .      График движения при График движения при .      График движения при

График движения при . График движения при

График движения при .         График движения при График движения при .         График движения при

График движения при Теги. График движения при Теги

Теги

В этой статье мы узнаем, как найти ускорение на графике скорости от времени, используя несколько примеров, и решим некоторые задачи.

Ускорение — это разность скоростей, изменяющаяся во времени; следовательно, по графику скорость-время мы можем найти ускорение, измерив наклон графика.

График скорости во времени для положительного ускорения

Давайте посмотрим, как найти ускорение по графику скорость-время. Ниже приводится график зависимости скорости от времени.

как найти ускорение на графике скорость-время

График зависимости скорости от времени для положительного ускорения

По оси x отложено время в секундах, а по оси y отложена скорость объекта в разное время. Наклон графика определяется выражением m=Δy/Δt. Здесь наклон графика скорость-время дает ускорение объекта.

а = м = ΔV/ΔT = v2-v1/t2-t1

Из приведенного выше графика ускорение будет положительным, если V2>V1 то есть, если скорость объекта увеличивается со временем. То же самое будет отрицательным, если V2<V1, то есть если скорость объекта уменьшается со временем. Это тот случай, когда объект замедляется. Так и в том случае, даже когда объект движется в противоположном направлении от направления его движения.

Подробнее о Как найти ускорение с постоянной скоростью: факты и примеры задач.

1 задачи: Рассмотрим объект круглой формы, покоящийся на вершине холма. К объекту прикладывают силу, чтобы сместить его с места. При приложении силы объект ускоряется вниз к подножию холма. Скорость объекта увеличивается до 4 м/с после прохождения расстояния 16 метров. Постройте график для того же, а затем рассчитайте ускорение объекта, учитывая начальную скорость объекта 2 м/с в определенный момент времени.

Решение: Изменение скорости объекта определяется как.

Скорость, равная 4 м/с, наблюдалась после того, как объект прошел расстояние 16 метров. Следовательно, время, затрачиваемое на перемещение 16 м и ускорение тела, равно

2м/с=16м/т

t=16м/2м/с=8с

Следовательно, скорость объекта в момент времени t = 8 секунд была 4 м/с. Теперь мы можем построить график для того же, что и ниже.

График скорости-времени

Судя по графику, скорость v1=2 м/с при t1=4 сек и скорость v2=4 м/с при t1=8 сек.

Следовательно, ускорение объекта между временными интервалами от 4 до 8 секунд равно

а = v2-v1/t2-t1 = 4-2/8-4 = 2/4 = 1/2 = 0.5 м/с2

Ускорение тела равно 0.5 м/с.2.

График зависимости скорости от времени для нулевого ускорения

Приведенный ниже график показывает, что скорость объекта не меняется со временем и остается постоянной. Это означает, что между этими интервалами времени ускорения объекта не было.

График зависимости скорости от времени для Постоянная скорость

Приведенный выше график показывает, что скорость объекта остается неизменной все время, поэтому мы получаем прямую линию на графике зависимости скорости от времени. Это ясно указывает на то, что в этом случае график зависимости скорости от времени не дает наклона. Поскольку наклон графика отсутствует, ускорение, равное наклону, равно нулю.

Это означает, что перемещение объекта одинаково для разных интервалов времени, следовательно, скорость постоянна.

2 задачи:Скорость объекта, движущегося по плоской поверхности, оказалась равной 0.5 м/с. Через 5 минут другой наблюдатель обнаружил, что скорость равна 0.5 м/с. Тогда каково ускорение объекта на основе наблюдения?

Решение: V1=0.5 м/с; В2=0.5 м/с, временной интервал t=5 минут=300 секунд.

а=в2-v1/t2-t1= 0.5-0.5/300 =0

Поскольку изменений скорости объекта не наблюдалось, ускорение объекта равно нулю.

Подробнее о ускорение.

График зависимости скорости от времени для отрицательного ускорения

Если объект замедляется со временем, то наклон графика скорость-время будет отрицательным. Это показано на приведенном ниже графике зависимости скорости от времени.

График зависимости скорости от времени для отрицательного ускорения

Поскольку разница между конечной и начальной рассматриваемой точкой по оси ординат отрицательна, наклон графика ускорения объекта будет отрицательным.

3 задачи: Рассмотрим объект, замедляющийся со временем, как показано на графике ниже.

График скорости-времени

Вычислите ускорение тела на пути от А до В.

Решение: Скорость объекта в точке А в момент времени t1= 2 секунды v1=10 м/с и в момент времени t2= 5 секунд v2=4м/с. Поэтому ускорение тела равно

а = v2-v1/t2-t1 = 4-10/5-2= -6/3= -2m/s2

Поскольку скорость объекта со временем уменьшается, ускорение объекта отрицательно и равно -2 м/с.2.

Подробнее о График постоянного отрицательного ускорения: что, как, примеры.

График отрицательной скорости для отрицательного ускорения

Когда объект удаляется от точки назначения по отрицательной оси, смещение объекта принимается как отрицательное по отрицательной оси Y. Если положение объекта отклоняется от направления его движения, то считается, что смещение объекта происходит в отрицательном направлении.

Отрицательная скорость В/с График времени

Выше приведен график зависимости скорости от времени для отрицательного ускорения. Видно, что скорость со временем уменьшается, наклон графика оказывается отрицательным, а значит, и ускорение отрицательное.

График отрицательной скорости во времени для положительного ускорения

Ниже приведен график зависимости отрицательной скорости от времени в секунду, который дает положительное ускорение.

Отрицательный график зависимости скорости от времени

Поскольку замедляющийся объект однажды начинает ускоряться обратно за счет какого-то внешнего силы, то ускорение, равное наклону График зависимости скорости от времени положителен, потому что скорость объекта продолжает расти со временем.

Подробнее о Отрицательная скорость и нулевое ускорение: как, когда, пример и проблемы.

Часто задаваемые вопросы

Q1. Из приведенного ниже графика вычислите ускорение объекта из точки О в А, из А в В и из В в С; а затем вычислить среднее ускорение объекта от O до C.

График скорости-времени

Решение: От О до А, v1=0 при t1=0; в2=8 м/с при t2= 4s

Следовательно, ускорение тела из точки О в точку А равно

а = v2-v1/t2-t1=8-0/4-0=8/4=2m/s2

От А до Б, в1=8 м/с при t1=4с; в2=5 м/с при t2= 8s

Следовательно, ускорение тела из точки А в точку В равно

а=в2-v1/t2-t1=5-8/8-4=-3/4=-0.75m/s2

От B до C, v1=5 м/с при t1=8с; в2=5 м/с при t2= 12s

Следовательно, ускорение тела из точки В в С равно

а=в2-v1/t2-t1=5-5/12-8=0/4=0

Среднее ускорение графика от O до C равно

Aсредний= aoa+aab+abc/3

=2-0.75+0/3=1.25/3=0.42m/s2

Следовательно, среднее ускорение тела от О до А равно 0.42 м/с.2.

Почему ускорение является векторной величиной?

Ускорение имеет величину и направление.

Направление ускорения такое же, как и направление скорости после изменения; следовательно, это векторная величина.

  • Равноускоренное прямолинейное движение — движение по прямой линии с постоянным ускорением (a=const).
  • Ускорение — векторная физическая величина, показывающая изменение скорости тела за 1 с. Обозначается как a.
  • Единица измерения ускорения — метр в секунду в квадрате (м/с2).
  • Акселерометр — прибор для измерения ускорения.

Формула ускорения

Ускорение тела равно отношению изменения вектора скорости ко времени, в течение которого это изменение произошло:

v — скорость тела в данный момент времени, v0 — скорость тела в начальный момент времени, t — время, в течение которого изменялась скорость

Пример №1. Состав тронулся с места и через 20 секунд достиг скорости 36 км/ч. Найти ускорение его разгона.

Сначала согласуем единицы измерения. Для этого переведем скорость в м/с: умножим километры на 1000 и поделим на 3600 (столько секунд содержится в 1 часе). Получим 10 м/с.

Начальная скорость состава равно 0 м/с, так как изначально он стоял на месте. Имея все данные, можем подставить их в формулу и найти ускорение:

Проекция ускорения

Проекция ускорения на ось ОХ

vx — проекция скорости тела в данный момент времени, v0x — проекция скорости в начальный момент времени, t — время, в течение которого изменялась скорость

Знак проекции ускорения зависит от того, в какую сторону направлен вектор ускорения относительно оси ОХ:

  • Если вектор ускорения направлен в сторону оси ОХ, то его проекция положительна.
  • Если вектор ускорения направлен в сторону, противоположную направлению оси ОХ, его проекция отрицательная.

При решении задач на тему равноускоренного прямолинейного движения проекции величин можно записывать без нижнего индекса, так как при движении по прямой тело изменяет положение относительно только одной оси (ОХ). Их обязательно нужно записывать, когда движение описывается относительно двух и более осей.

Направление вектора ускорения

Направление вектора ускорения не всегда совпадает с направлением вектора скорости!

Равноускоренным движением называют такое движение, при котором скорость за одинаковые промежутки времени изменяется на одну и ту же величину. При этом направления векторов скорости и ускорения тела совпадают (а↑↑v).

Равнозамедленное движение — частный случай равноускоренного движения, при котором скорость за одинаковые промежутки времени уменьшается на одну и ту же величину. При этом направления векторов скорости и ускорения тела противоположны друг другу (а↑↓v).

Пример №2. Автомобиль сначала разогнался, а затем затормозил. Во время разгона направления векторов его скорости и ускорения совпадают, так как скорость увеличивается. Но при торможении скорость уменьшается, потому что вектор ускорения изменил свое направление в противоположную сторону.

График ускорения

График ускорения — график зависимости проекции ускорения от времени. Проекция ускорения при равноускоренном прямолинейном движении не изменяется (ax=const). Графиком ускорения при равноускоренном прямолинейном движении является прямая линия, параллельная оси времени.

Зависимость положения графика проекции ускорения относительно оси ОХ от направления вектора ускорения:

  • Если график лежит выше оси времени, движение равноускоренное (направление вектора ускорения совпадает с направлением оси ОХ). На рисунке выше тело 1 движется равноускорено.
  • Если график лежит ниже оси времени, движение равнозамедленное (вектор ускорения направлен противоположно оси ОХ). На рисунке выше тело 2 движется равнозамедлено.

Если график ускорения лежит на оси времени, движение равномерное, так как ускорение равно 0. Скорость в этом случае — величина постоянная.

Чтобы сравнить модули ускорений по графикам, нужно сравнить степень их удаленности от оси времени независимо от того, лежат они выше или ниже нее. Чем дальше от оси находится график, тем больше его модуль. На рисунке график 2 находится дальше от оси времени по сравнению с графиком один. Поэтому модуль ускорения тела 2 больше модуля ускорения тела 1.

Пример №3. По графику проекции ускорения найти участок, на котором тело двигалось равноускорено. Определить ускорение в момент времени t1 = 1 и t2 = 3 с.

В промежуток времени от 0 до 1 секунды график ускорения рос, с 1 до 2 секунд — не менялся, а с 2 до 4 секунд — опускался. Так как при равноускоренном движении ускорение должно оставаться постоянным, ему соответствует второй участок (с 1 по 2 секунду).

Чтобы найти ускорение в момент времени t, нужно мысленно провести перпендикулярную прямую через точку, соответствующую времени t. От точки пересечения с графиком нужно мысленно провести перпендикуляр к оси проекции ускорения. Значение точки, в которой пересечется перпендикуляр с этой осью, покажет ускорение в момент времени t.

В момент времени t1 = 1с ускорение a = 2 м/с2. В момент времени t2 = 3 ускорение a = 0 м/с2.

Задание EF18774

На рисунке показан график зависимости координаты x тела, движущегося вдоль оси Ох, от времени t (парабола). Графики А и Б представляют собой зависимости физических величин, характеризующих движение этого тела, от времени t. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять.

К каждой позиции графика подберите соответствующую позицию утверждения и запишите в поле цифры в порядке АБ.


Алгоритм решения

  1. Определить, какому типу движения соответствует график зависимости координаты тела от времени.
  2. Определить величины, которые характеризуют такое движение.
  3. Определить характер изменения величин, характеризующих это движение.
  4. Установить соответствие между графиками А и Б и величинами, характеризующими движение.

Решение

График зависимости координаты тела от времени имеет вид параболы в случае, когда это тело движется равноускоренно. Так как движение тела описывается относительно оси Ох, траекторией является прямая. Равноускоренное прямолинейное движение характеризуется следующими величинами:

  • перемещение и путь;
  • скорость;
  • ускорение.

Перемещение и путь при равноускоренном прямолинейном движении изменяются так же, как координата тела. Поэтому графики их зависимости от времени тоже имеют вид параболы.

График зависимости скорости от времени при равноускоренном прямолинейном движении имеет вид прямой, которая не может быть параллельной оси времени.

График зависимости ускорения от времени при таком движении имеет вид прямой, перпендикулярной оси ускорения и параллельной оси времени, так как ускорение в этом случае — величина постоянная.

Исходя из этого, ответ «3» можно исключить. Остается проверить ответ «1». Кинетическая энергия равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости. Графиком квадратичной функции является парабола. Поэтому ответ «1» тоже не подходит.

График А — прямая линия, параллельная оси времени. Мы установили, что такому графику может соответствовать график зависимости ускорения от времени (или его модуля). Поэтому первая цифра ответа — «4».

График Б — прямая линия, не параллельная оси времени. Мы установили, что такому графику может соответствовать график зависимости скорости от времени (или ее проекции). Поэтому вторая цифра ответа — «2».

Ответ: 24

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17992

Начальная скорость автомобиля, движущегося прямолинейно и равноускоренно, равна 5 м/с. После прохождения расстояния 40 м его скорость оказалась равной 15 м/c. Чему равно ускорение автомобиля?


Алгоритм решения

  1. Записать исходные данные.
  2. Записать формулу, связывающую известные из условия задачи величины.
  3. Выразить из формулы искомую величину.
  4. Вычислить искомую величину, подставив в формулу исходные данные.

Решение

Запишем исходные данные:

  • Начальная скорость v0 = 5 м/с.
  • Конечная скорость v = 15 м/с.
  • Пройденный путь s = 40 м.

Формула, которая связывает ускорение тела с пройденным путем:

Так как скорость растет, ускорение положительное, поэтому перед ним в формуле поставим знак «+».

Выразим из формулы ускорение:

Подставим известные данные и вычислим ускорение автомобиля:

Ответ: 2,5

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18202

Внимательно прочитайте текст задания и выберите верный ответ из списка. На рисунке приведён график зависимости проекции скорости тела vx от времени.

Какой из указанных ниже графиков  совпадает с графиком зависимости от времени проекции ускорения этого тела ax в интервале времени от 6 с до 10 с?


Алгоритм решения

  1. Охарактеризовать движение тела на участке графика, обозначенном в условии задачи.
  2. Вычислить ускорение движение тела на этом участке.
  3. Выбрать график, который соответствует графику зависимости от времени проекции ускорения тела.

Решение

Согласно графику проекции скорости в интервале времени от 6 с до 10 с тело двигалось равнозамедленно. Это значит, что проекция ускорения на ось ОХ отрицательная. Поэтому ее график должен лежать ниже оси времени, и варианты «а» и «в» заведомо неверны.

Чтобы выбрать между вариантами «б» и «г», нужно вычислить ускорение тела. Для этого возьмем координаты начальной и конечной точек рассматриваемого участка:

  • t1 = 6 с. Этой точке соответствует скорость v1 = 0 м/с.
  • t2 = 10 с. Этой точке соответствует скорость v2 = –10 м/с.

Используем для вычислений следующую формулу:

Подставим в нее известные данные и сделаем вычисления:

Этому значению соответствует график «г».

Ответ: г

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18027

На графике приведена зависимость проекции скорости тела от времени при прямолинейном движении по оси х. Определите модуль ускорения тела.


Алгоритм решения

  1. Записать формулу ускорения.
  2. Записать формулу для вычисления модуля ускорения.
  3. Выбрать любые 2 точки графика.
  4. Определить для этих точек значения времени и проекции скорости (получить исходные данные).
  5. Подставить данные формулу и вычислить ускорение.

Решение

Записываем формулу ускорения:

По условию задачи нужно найти модуль ускорения, поэтому формула примет следующий вид:

Выбираем любые 2 точки графика. Пусть это будут:

  • t1 = 1 с. Этой точке соответствует скорость v1 = 15 м/с.
  • t2 = 2 с. Этой точке соответствует скорость v2 = 5 м/с.

Подставляем данные формулу и вычисляем модуль ускорения:

Ответ: 10

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Алиса Никитина | Просмотров: 13.7k

Определение кинематических характеристик движения с помощью графиков

Подробности
Обновлено 13.08.2018 21:14
Просмотров: 912

«Физика – 10 класс»

Чем отличается равномерное движение от равноускоренного?
Чем отличается график пути при равноускоренном движении от графика пути при равномерном движении?
Что называется проекцией вектора на какую-либо ось?

В случае равномерного прямолинейного движения можно определить скорость по графику зависимости координаты от времени.

Проекция скорости численно равна тангенсу угла наклона прямой x(t) к оси абсцисс. При этом, чем больше скорость, тем больше угол наклона.

Прямолинейное равноускоренное движение.

На рисунке 1.33 изображены графики зависимости проекции ускорения от времени для трёх разных значений ускорения при прямолинейном равноускоренном движении точки. Они представляют собой прямые линии, параллельные оси абсцисс: ах = const. Графики 1 и 2 соответствуют движению, когда вектор ускорения направлен вдоль оси ОХ, график 3 — когда вектор ускорения направлен в противоположную оси ОХ сторону.

При равноускоренном движении проекция скорости зависит от времени линейно: υx = υ0x + axt. На рисунке 1.34 представлены графики этой зависимости для указанных трёх случаев. При этом начальная скорость точки одинакова. Проанализируем этот график.

Проекция ускорения Из графика видно, что, чем больше ускорение точки, тем больше угол наклона прямой к оси t и соответственно больше тангенс угла наклона, который определяет значение ускорения.

За один и тот же промежуток времени при разных ускорениях скорость изменяется на разные значения.

При положительном значении проекции ускорения за один и тот же промежуток времени проекция скорости в случае 2 увеличивается в 2 раза быстрее, чем в случае 1. При отрицательном значении проекции ускорения на ось ОХ проекция скорости по модулю изменяется на то же значение, что и в случае 1, но скорость уменьшается.

Для случаев 1 и 3 графики зависимости модуля скорости от времени будут совпадать (рис. 1.35).

Используя график зависимости скорости от времени (рис. 1.36), найдём изменение координаты точки. Это изменение численно равно площади заштрихованной трапеции, в данном случае изменение координаты за 4 с Δx = 16 м.

Мы нашли изменение координаты. Если необходимо найти координату точки, то к найденному числу нужно прибавить её начальное значение. Пусть в начальный момент времени х0 = 2 м, тогда значение координаты точки в заданный момент времени, равный 4 с, равно 18 м. В данном случае модуль перемещения равен пути, пройденному точкой, или изменению её координаты, т. е. 16 м.

Если движение равнозамедленное, то точка в течение выбранного интервала времени может остановиться и начать двигаться в направлении, противоположном начальному. На рисунке 1.37 показана зависимость проекции скорости от времени для такого движения. Мы видим, что в момент времени, равный 2 с, направление скорости изменяется. Изменение координаты будет численно равно алгебраической сумме площадей заштрихованных треугольников.

Вычисляя эти площади, мы видим, что изменение координаты равно -6 м, это означает, что в направлении, противоположном оси ОХ, точка прошла большее расстояние, чем по направлению этой оси.

Площадь над осью t берём со знаком «плюс», а площадь под осью t, где проекция скорости отрицательна, — со знаком «минус».

Если в начальный момент времени скорость некоторой точки была равна 2 м/с, то координата её в момент времени, равный 6 с, равна -4 м. Модуль перемещения точки в данном случае также равен 6 м — модулю изменения координаты. Однако путь, пройденный этой точкой, равен 10 м — сумме площадей заштрихованных треугольников, показанных на рисунке 1.38.

Изобразим на графике зависимость координаты х точки от времени. Согласно одной из формул (1.14) кривая зависимости координаты от времени — x(t) — парабола.

Если движение точки происходит со скоростью, график зависимости которой от времени изображён на рисунке 1.36, то ветви параболы направлены вверх, так как ах > 0 (рис. 1.39). По этому графику мы можем определить координату точки, а также скорость в любой момент времени. Так, в момент времени, равный 4 с, координата точки равна 18 м.


Для начального момента времени, проводя касательную к кривой в точке А, определяем тангенс угла наклона α1, который численно равен начальной скорости, т. е. 2 м/с.

Для определения скорости в точке В проведём касательную к параболе в этой точке и определим тангенс угла α2. Он равен 6, следовательно, скорость равна 6 м/с.

График зависимости пути от времени — такая же парабола, но проведённая из начала координат (рис. 1.40). Мы видим, что путь непрерывно увеличивается со временем, движение происходит в одну сторону.

Если движение точки происходит со скоростью, график зависимости проекции которой от времени изображён на рисунке 1.37, то ветви параболы направлены вниз, так как аx < 0 (рис. 1.41). При этом моменту времени, равному 2 с, соответствует вершина параболы. Касательная в точке В параллельна оси t, угол наклона касательной к этой оси равен нулю, и скорость также равна нулю. До этого момента времени тангенс угла наклона касательной уменьшался, но был положителен, движение точки происходило в направлении оси ОХ.

Начиная с момента времени t = 2 с, тангенс угла наклона становится отрицательным, а его модуль увеличивается, это означает, что движение точки происходит в направлении, противоположном начальному, при этом модуль скорости движения увеличивается.

Модуль перемещения равен модулю разности координат точки в конечный и начальный моменты времени и равен 6 м.

График зависимости пройденного точкой пути от времени, показанный на рисунке 1.42 отличается от графика зависимости перемещения от времени (см. рис. 1.41).

Как бы ни была направлена скорость, путь, пройденный точкой, непрерывно увеличивается.

Выведем зависимость координаты точки от проекции скорости. Скорость υx = υ0x + axt, отсюда

В случае x0 = 0, ах > 0 и υx > υ0x график зависимости координаты от скорости представляет собой параболу (рис. 1.43).

При этом, чем больше ускорение, тем ветвь параболы будет менее крутой. Это легко объяснить, так как, чем больше ускорение, тем меньше расстояние, которое должна пройти точка, чтобы скорость увеличилась на то же значение, что и при движении с меньшим ускорением.

В случае ах < 0 и υ0x > 0 проекция скорости будет уменьшаться. Перепишем уравнение (1.17) в виде где а = |аx|. График этой зависимостимости — парабола с ветвями, направленными вниз (рис. 1.44).

Ускоренное движение.

По графикам зависимости проекции скорости от времени можно определить координату и проекцию ускорения точки в любой момент времени при любом типе движения.

Пусть проекция скорости точки зависит от времени так, как показано на рисунке 1.45. Очевидно, что в промежутке времени от 0 до t3 движение точки вдоль оси X происходило с переменным ускорением. Начиная с момента времени, равного t3, движение равномерное с постоянной скоростью υDx. По графику мы видим, что ускорение, с которым двигалась точка, непрерывно уменьшалось (сравните угол наклона касательной в точках В и С).

Изменение координаты х точки за время t1 численно равно площади криволинейной трапеции OABt1, за время t2 — площади OACt2 и т. д. Как видим по графику зависимости проекции скорости от времени можно определить изменение координаты тела за любой промежуток времени.

По графику зависимости координаты от времени можно определить значение скорости в любой момент времени, вычисляя тангенс угла наклона касательной к кривой в точке, соответствующей данному моменту времени. Из рисунка 1.46 следует, что в момент времени t1 проекция скорости положительна. В промежутке времени от t2 до t3 скорость равна нулю, тело неподвижно. В момент времени t4 скорость также равна нулю (касательная к кривой в точке D параллельна оси абсцисс). Затем проекция скорости становится отрицательной, направление движения точки изменяется на противоположное.

Если известен график зависимости проекции скорости от времени, можно определить ускорение точки, а также, зная начальное положение, определить координату тела в любой момент времени, т. е. решить основную задачу кинематики. По графику зависимости координаты от времени можно определить одну из самых важных кинематических характеристик движения — скорость. Кроме этого, по указанным графикам можно определить тип движения вдоль выбранной оси: равномерное, с постоянным ускорением или движение с переменным ускорением.

Источник: «Физика – 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Кинематика – Физика, учебник для 10 класса – Класс!ная физика

Физика и познание мира —
Что такое механика —
Механическое движение. Система отсчёта —
Способы описания движения —
Траектория. Путь. Перемещение —
Равномерное прямолинейное движение. Скорость. Уравнение движения —
Примеры решения задач по теме «Равномерное прямолинейное движение» —
Сложение скоростей —
Примеры решения задач по теме «Сложение скоростей» —
Мгновенная и средняя скорости —
Ускорение —
Движение с постоянным ускорением —
Определение кинематических характеристик движения с помощью графиков —
Примеры решения задач по теме «Движение с постоянным ускорением» —
Движение с постоянным ускорением свободного падения —
Примеры решения задач по теме «Движение с постоянным ускорением свободного падения» —
Равномерное движение точки по окружности —
Кинематика абсолютно твёрдого тела. Поступательное и вращательное движение —
Кинематика абсолютно твёрдого тела. Угловая скорость. Связь между линейной и угловой скоростями —
Примеры решения задач по теме «Кинематика твёрдого тела»

Добавить комментарий