高中物理 02 匀变速直线运动

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匀变速直线运动的基本概念

定义：物体沿着一条直线运动，且加速度保持不变的运动，叫做匀变速直线运动。

特点：加速度\(a\)恒定不变，速度随时间均匀变化。

匀变速直线运动的基本公式

速度公式：\(v = v_{0}+at\)，其中\(v\)是末速度，\(v_{0}\)是初速度，\(a\)是加速度，\(t\)是运动时间。该公式描述了匀变速直线运动中速度随时间的变化规律。例如，一辆汽车以\(5m/s\)的初速度做匀加速直线运动，加速度为\(2m/s^{2}\)，经过\(3s\)后的速度为\(v = 5 + 2×3 = 11m/s\)。

位移公式：\(x = v_{0}t+\frac{1}{2}at^{2}\)，其中\(x\)是位移。此公式表示了匀变速直线运动中位移与初速度、加速度和时间的关系。比如，上述汽车在\(3s\)内的位移为\(x = 5×3+\frac{1}{2}×2×3^{2}=24m\)。

速度-位移公式：\(v^{2}-v_{0}^{2}=2ax\)，该公式在已知初速度、末速度和位移中的任意两个量时，可求出第三个量。例如，已知汽车的初速度为\(5m/s\)，经过一段位移后速度变为\(11m/s\)，加速度为\(2m/s^{2}\)，则这段位移为\(x=\frac{v^{2}-v_{0}^{2}}{2a}=\frac{11^{2}-5^{2}}{2×2}=24m\)，与位移公式计算结果一致。

匀变速直线运动的推论

平均速度公式：\(\overline{v}=\frac{v_{0}+v}{2}\)，即匀变速直线运动的平均速度等于初速度与末速度的平均值。利用此公式可简化一些问题的计算。例如，上述汽车在\(3s\)内的平均速度为\(\overline{v}=\frac{5 + 11}{2}=8m/s\)，其位移也可表示为\(x=\overline{v}t = 8×3 = 24m\)。

中间时刻速度公式：\(v_{\frac{t}{2}}=\frac{v_{0}+v}{2}\)，匀变速直线运动中某段时间中点的瞬时速度等于该段时间内的平均速度。

中间位置速度公式：\(v_{\frac{x}{2}}=\sqrt{\frac{v_{0}^{2}+v^{2}}{2}}\)，表示匀变速直线运动中某段位移中点的瞬时速度。且\(v_{\frac{x}{2}}>v_{\frac{t}{2}}\)，可通过数学推导证明。

逐差公式：\(\Delta x = aT^{2}\)，在连续相等的时间间隔\(T\)内的位移之差为一恒量，等于加速度与时间间隔平方的乘积。该公式可用于纸带问题中求解加速度，通过测量相邻相等时间间隔内的位移，计算加速度。例如，在打点计时器打出的纸带上，相邻两点间的时间间隔为\(T = 0.02s\)，若测得连续四段位移分别为\(x_{1}\)、\(x_{2}\)、\(x_{3}\)、\(x_{4}\)，则\(a=\frac{(x_{3}+x_{4})-(x_{1}+x_{2})}{(2T)^{2}}\)。

自由落体运动

定义：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。

特点：自由落体运动是初速度为\(0\)，加速度为重力加速度\(g\)（约\(9.8m/s^{2}\)）的匀加速直线运动。

公式：其运动规律可直接应用匀变速直线运动的公式，只需将\(v_{0}=0\)，\(a = g\)代入即可。如速度公式\(v = gt\)，位移公式\(h=\frac{1}{2}gt^{2}\)，速度-位移公式\(v^{2}=2gh\)，其中\(h\)表示下落的高度。

竖直上抛运动

定义：将物体以一定的初速度竖直向上抛出，物体只在重力作用下的运动，叫做竖直上抛运动。

特点：上升过程是匀减速直线运动，加速度为\(-g\)；下落过程是自由落体运动，加速度为\(g\)。

处理方法：可分段处理，上升过程用匀减速直线运动公式，下落过程用自由落体运动公式；也可整体处理，将竖直上抛运动视为匀变速直线运动，取向上为正方向，则初速度为\(v_{0}\)，加速度为\(-g\)，位移为\(x\)，再根据匀变速直线运动公式求解。例如，一物体以\(20m/s\)的初速度竖直上抛，求上升的最大高度\(H\)。根据\(v^{2}-v_{0}^{2}=2ax\)，上升到最高点时\(v = 0\)，则\(H=\frac{v_{0}^{2}}{2g}=\frac{20^{2}}{2×9.8}\approx20.4m\)。

匀变速直线运动是高中物理运动学中的重要内容，这些公式和推论在解决各种直线运动问题中有着广泛的应用，需要熟练掌握和灵活运用。