Считаем шоссе прямолинейным. Запишем уравнение движения велосипедиста. Так как велосипедист двигался равномерно, то его уравнение движения:
(начало координат помещаем в точку старта, поэтому начальная координата велосипедиста равна нулю).
Мотоциклист двигался равноускоренно. Он также начал движение с места старта, поэтому его начальная координата равна нулю, начальная скорость мотоциклиста также равна нулю (мотоциклист начал двигаться из состояния покоя).
Учитывая, что мотоциклист начал движение на позже, уравнение движения мотоциклиста:
При этом скорость мотоциклиста изменялась по закону:
В момент, когда мотоциклист догнал велосипедиста их координаты равны, т.е. или:
Решая это уравнение относительно , находим время встречи:
Это квадратное уравнение. Определяем дискриминант:
Определяем корни:
Подставим в формулы числовые значения и вычислим:
Второй корень отбрасываем как несоответствующий физическим условиям задачи: мотоциклист не мог догнать велосипедиста через 0,37 с после начала движения велосипедиста, так как сам покинул точку старта только через 2 с после того, как стартовал велосипедист.
Таким образом, время, когда мотоциклист догнал велосипедиста:
Подставим это значение времени в формулу закона изменения скорости мотоциклиста и найдем значение его скорости в этот момент:
2) Графический способ.
На одной координатной плоскости строим графики изменения со временем координат велосипедиста и мотоциклиста (график для координаты велосипедиста — красным цветом, для мотоциклиста — зеленым). Видно, что зависимость координаты от времени для велосипедиста — линейная функция, и график этой функции — прямая (случай равномерного прямолинейного движения). Мотоциклист двигался равноускоренно, поэтому зависимость координаты мотоциклиста от времени — квадратичная функция, графиком которой является парабола.
Задачи по физике - это просто!
Не забываем , что решать задачи надо всегда в системе СИ!
А теперь к задачам!
Элементарные задачи из курса школьной физики по кинематике.
Задача на составление описания движения и составление уравнения движения по заданному графику движения
Дано: график движения тела
Найти
:
1.
составить описание движения
2. составить
уравнение движения тела.
Проекцию вектора скорости определяем по графику, выбрав любой удобный для рассмотрения отрезок времени.
Здесь удобно взять t=4c
Составляем уравнение движения тела:
Записываем формулу уравнения прямолинейного равномерного движения.
Подставляем в нее найденный коэффициент V x (не забываем о минусе!).
Начальная координата тела (X о) соответствует началу графика, тогда X о =3
Составляем описание движения тела:
Желательно сделать чертеж, это поможет не ошибиться!
Не забываем, что все физические величины имеют единицы измерения, их необходимо указывать!
Тело движется прямолинейно и равномерно из начальной точки X о =3м со скоростью 0,75 м/с противоположно направлению оси X.
Задача на определение места и времени встречи двух движущихся тел (при прямолинейном равномерном движении)
Движение тел задано уравнениями движения для каждого тела.
Дано:
1.
уравнение движения первого тела
2. уравнение движения второго тела
Найти:
1. координату места встречи
2. момент время (после начала движения), когда произойдет встреча тел
По заданным уравнениям движения строим графики движения для каждого тела в одной системе координат.
Точка пересечения двух графиков движения определяет:
1.
на оси t - время встречи (через сколько времени после начала движения произойдет встреча)
2. на оси X - координату места встречи (относительно начала координат)
В результате:
Два тела встретятся в точке с координатой -1,75 м через 1,25 секунд после начала движения.
Для проверки полученных графическим способом ответов можно решить систему уравнений из двух заданных
уравнений движения:
Все было верно!
Для тех, кто почему-то забыл , как построить график прямолинейного равномерного движения:
График движения - это линейная зависимость (прямая), строится по двум точкам.
Выбираем два любых удобных для простоты расчета значения t 1 и t 2 .
Для этих значений t подсчитываем соответствующие значения координат X 1 и X 2 .
Откладываем 2 точки
с координатами (t 1 , X 1) и (t 2 , X 2) и соединяем их прямой - график готов!
Задачи на составление описания движения тела и построение графиков движения по заданному уравнению прямолинейного равномерного движения
Задача 1
Дано:
уравнение движения тела
Найти:
Заданное уравнение сравниваем с формулой и определяем коэффициенты.
Не забываем делать чертеж, чтобы еще раз обратить внимание на направление вектора скорости.
Задача 2
Дано: уравнение движения тела
Найти:
1. составить описание движения
2. построить график движения
Задача 3
Дано: уравнение движения тела
Найти:
1. составить описание движения
2. построить график движения
Задача 4
Дано: уравнение движения тела
Найти:
1. составить описание движения
2. построить график движения
Описание движения:
Тело находится в состоянии покоя в точке с координатой X=4м (состояние покоя - это частный случай движения, когда скорость тела равна нулю).
Задача 5
Дано:
начальная координата движущейся точки xo=-3 м
проекция вектора скорости Vx=-2 м/с
Найти:
1. записать уравнение движения
2. построить график движения
3. показать на чертеже векторы скорости и перемещения
4. найти координату точки через 10 секунд после начала движения
ГРАФИКИ
Определение вида движения по графику
1. Равноускоренному движению соответствует график зависимости модуля ускорения от времени, обозначенный на рисунке буквой
2. На рисунках изображены графики зависимости модуля ускорения от времени для разных видов движения. Какой график соответствует равномерному движению?
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
3. 
Тело, двигаясь вдоль оси Ох
прямолинейно и равноускоренно, за некоторое время уменьшило свою скорость в 2 раза. Какой из графиков зависимости проекции ускорения от времени соответствует такому движению?
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
4. Парашютист движется вертикально вниз с постоянной по значению скоростью. Какой график - 1, 2, 3 или 4 - правильно отражает зависимость его координаты Y от времени движения t относительно поверхности земли? Сопротивлением воздуха пренебречь.
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
5. Какой из графиков зависимости проекции скорости от времени (рис.) соответствует движению тела, брошенного вертикально вверх с некоторой скоростью (ось Y направлена вертикально вверх)?
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
6. 
Тело бросили вертикально вверх с некоторой начальной скоростью с поверхности земли. Какой из графиков зависимости высоты тела над поверхностью земли от времени (рис.) соответствует этому движению?
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
Определение и сравнение характеристик движения по графику
7. На графике приведена зависимость проекции скорости тела от времени при прямолинейном движении. Определите проекцию ускорения тела.
1) – 10 м/с 2
2) – 8 м/с 2
3) 8 м/с 2
8. 
На рисунке изображен график зависимости скорости движения тел от времени. Чему равно ускорение тела?
2) 2 м/с 2
9. По графику зависимости проекции скорости от времени, представленному па рисунке, определите ускорение прямолинейно движущегося тела в момент времени t = 2 с.
3) 10 м/с 2
10. На рисунке представлен график движения автобуса из пункта А в пункт Б и обратно. Пункт А находится в точке х = 0, а пункт Б в точке х = 30 км. Чему равна скорость автобуса на пути из А в Б?
11. На рисунке представлен график движения автобуса из пункта А в пункт Б и обратно. Пункт А находится в точке х = 0, а пункт Б в точке х = 30 км. Чему равна скорость автобуса на пути из Б в А?
12. Автомобиль движется по прямой улице. На графике представлена зависимость скорости автомобиля от времени. Модуль ускорения максимален в интервале времени
1) от 0 с до 10 с
2) от 10 с до 20 с
3) от 20 с до 30 с
4) от 30 с до 40 с
13. Четыре тела движутся вдоль оси Оx .На рисунке изображены графики зависимости проекций скоростей υ x от времени t для этих тел. Какое из тел движется с наименьшим по модулю ускорением?
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
14. На рисунке представлен график зависимости пути S велосипедиста от времени t. Определите интервал времени, когда велосипедист двигался со скоростью 2,5 м/с.
1) от 5 с до 7 с
От 3 с до 5 с
3) от 1 с до 3 с
4) от 0 до 1 с
15. 
На рисунке представлен график зависимости координаты тела, движущегося вдоль оси Oх
, от времени. Сравните скорости v 1 , v 2 и v 3
тела в моменты времени t 1 , t 2 , t 3
1) v 1 > v 2 = v 3
2) v 1 > v 2 > v 3
3) v 1 < v 2 < v 3
4) v 1 = v 2 > v 3
16. На рисунке приведен график зависимости проекции скорости тела от времени.
Проекция ускорения тела в интервале времени от 5 до 10 с представлена графиком
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
17. 
Материальная точка движется прямолинейно с ускорением, зависимость от времени которого приведена на рисунке. Начальная скорость точки равна 0. Какая точка на графике соответствует максимальной скорости материальной точки:
Составление кинематических зависимостей (функций зависимости кинематических величин от времени) по графику
18. На рис. изображен график зависимости координаты тела от времени. Определите кинематический закон движения этого тела
1) x(t) = 2 + 2t
2) x(t) = – 2 – 2t
3) x(t) = 2 – 2t
4) x(t) = – 2 + 2t
19. По графику зависимости скорости тела от времени определите функцию зависимости скорости этого тела от времени
1) v x = – 30 + 10t
2) v x = 30 + 10t
3) v x = 30 – 10t
4) v x = – 30 + 10t
Определение перемещения и пути по графику
20. По графику зависимости скорости тела от времени определите путь, пройденный прямолинейно движущимся телом за 3 с.
21. Камень брошен вертикально вверх. Проекция его скорости на вертикальное направление изменяется со временем согласно графику на рисунке. Чему равен путь, пройденный камне за первые 3 с?
22. Камень брошен вертикально вверх. Проекция его скорости на вертикальное направление изменяется со временем согласно графику на рисунке к з.17. Чему равен путь, пройденный камнем за все время полета?
23. Камень брошен вертикально вверх. Проекция его скорости на вертикальное направление изменяется со временем согласно графику на рисунке к з.17. Чему равно перемещение камня за первые 3 с?
24. Камень брошен вертикально вверх. Проекция его скорости на вертикальное направление изменяется со временем согласно графику на рисунке к з.17. Чему равно перемещение камня за все время полета?
25. На рисунке дан график зависимости проекции скорости тела, движущегося вдоль оси Ох, от времени. Чему равен путь, пройденный телом к моменту времени t = 10 с?
26. Тележка начинает движение из состояния покоя вдоль бумажной ленты. На тележке стоит капельница, которая через равные промежутки времени оставляет на ленте пятна краски.
Выберите график зависимости величины скорости от времени, который правильно описывает движение тележки.
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
УРАВНЕНИЯ
27. Движение троллейбуса при аварийном торможении задано уравнением: x = 30 + 15t – 2,5 t 2 , м Чему равна начальная координата троллейбуса?
28. Движение самолета при разбеге задано уравнением: x = 100 + 0,85t 2 , м Чему равно ускорение самолета?
3) 1,7 м/с 2
29. Движение легкового автомобиля задано уравнением: x = 150 + 30t + 0,7t 2 , м. Чему равна начальная скорость автомобиля?
30. Уравнение зависимости проекции скорости движущегося тела от времени: v x = 2 +3t (м/с). Каково соответствующее уравнение проекции перемещения тела?
1) S x = 2t + 3t 2 2) S x = 4t + 3t 2 3) S x = t + 6t 2 4)S x = 2t + 1,5t 2
31. Зависимость координаты от времени для некоторого тела описывается уравнением х = 8t – t 2 . В какой момент времени скорость тела равна нулю?
ТАБЛИЦЫ
32. В таблице приведены результаты измерений пути при свободном падении стального шарика в разные моменты времени. Каково, скорее всего, было значение пути, пройденное шариком при падении, к моменту времени t = 2 с?
1) 7,5 м 2) 10 м 3) 20 м 4) 40 м
34. В таблице представлена зависимость координаты х движения тела от времени t :
С какой скоростью двигалось тело от момента времени 0 с до момента времени 3 с?
4) 3 м/с
36. В таблице представлена зависимость координаты х движения тела от времени t :
С какой скоростью двигалось тело от момента времени 3 с до до момента времени 5 с?
38. В таблице представлена зависимость скорости движения тела v от времени t :
3) 17 м
40. В таблице представлена зависимость скорости движения тела v от времени t :
Определите путь, пройденный телом в интервале от момента времени 0 с до момента времени 2 с.
42. В таблице представлена зависимость скорости движения тела v от времени t :
| t, с | |||||
| v, м/с |
Определите путь, пройденный телом в интервале от момента времени 0 с до момента времени 5 с.
4) 25 м
43. Четыре тела двигались по оси Ох. В таблице представлена зависимость их координат от времени.
| t, с | ||||||
| x 1 м | -2 | -4 | ||||
| х 2 , м | ||||||
| х 3 , м | ||||||
| х 4 , м | -2 |
У какого из тел скорость могла быть постоянна и отлична от нуля?
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
44. Четыре тела двигались по оси Ох. В таблице представлена зависимость их координат от времени.
| t, с | ||||||
| x 1 м | -2 | -4 | ||||
| х 2 , м | ||||||
| х 3 , м | ||||||
| х 4 , м | -2 |
У какого из тел ускорение могло быть постоянно и отлично от нуля?
§ 14. ГРАФИКИ ПУТИ И СКОРОСТИ
Определение пути по графику скорости
В физике и математике используют три способа подачи информации о связи между различными величинами: а) в виде формулы, например, s =v ∙ t; б) в виде таблицы; в) в виде графика (рисунка).
Зависимость скорости от времени v(t) - график скорости изображается с помощью двух взаимно перпендикулярных осей. Вдоль горизонтальной оси будем откладывать время, а по вертикальной - скорость (рис. 14.1). Надо заблаговременно продумать масштаб, чтобы рисунок не был слишком большим или слишком малым. У конца оси указывают букву, которая является обозначением численно равна площади заштрихованного прямоугольника abcd величины, что на ней откладывается. Возле буквы указывают единицу измерения этой величины. Например, возле оси времени указывают t, с, а возле оси скорости v(t), мес. Выбирают масштаб и наносят деления на каждую ось.
Рис. 14.1. График скорости тела, равномерно движущегося со скоростью 3 м/сек. Путь, пройденный телом со 2-й по 6-ю секунды,
Изображение равномерного движения таблицей и графиками
Рассмотрим равномерное движение тела со скоростью 3 м/с, то есть числовое значение скорости будет постоянным в течение всего времени движения. Сокращенно это записывают так: v = const (константа, то есть постоянная величина). В нашем примере она равна трем: v = 3 . Вы уже знаете, что информацию о зависимости одной величины от другой можно подавать в виде таблицы (массива, как говорят в информатике):
Из таблицы видно, что во все указанные моменты времени скорость равна 3 м/сек. Пусть масштаб оси времени 2 кл. = 1 с, а оси скорости 2 кл. = 1 м/сек. График зависимости скорости от времени (сокращенно говорят: график скорости) приведены на рисунке 14.1.
С помощью графика скорости можно найти путь, который тело проходит за определенный интервал времени. Для этого нужно сопоставить два факта: с одной стороны, путь можно найти, умножив скорость на время, а с другой - произведение скорости на время, как видно из рисунка - это площадь прямоугольника со сторонами t и v.
Например, со второй до шестой секунды тело двигалось в течение четырех секунд и прошло 3 м/с ∙ 4 с = 12 м. Это площадь прямоугольника аbсd, длина которого равна 4 с (отрезок ad вдоль оси времени) и высота 3 м/с (отрезок аb вдоль вертикали). Площадь, правда, несколько необычная, поскольку измеряется не в м 2 , а в г. Следовательно, площадь под графиком скорости численно равна пройденному пути.
График пути
График пути s(t) можно изобразить, используя формулу s = v ∙ t, то есть в нашем случае, когда скорость составляет 3 м/с: s = 3 ∙ t. Построим таблицу:
Вдоль горизонтальной оси снова откладывают время (t, с), а вдоль вертикальной - путь. Возле оси пути пишем: s, м (рис. 14.2).
Определение скорости по графику пути
Изобразим теперь на одном рисунке два графика, которые будут соответствовать движениям со скоростями 3 м/с (прямая 2) и 6 м/с (прямая 1) (рис. 14.3). Видно, что чем больше скорость тела, тем круче линия точек графика.
Существует и обратная задача: имея график движения, нужно определить скорость и записать уравнение пути (рис. 14.3). Рассмотрим прямую 2. От начала движения и до момента времени t = 2 с тело прошло путь s = 6 м. Следовательно, его скорость: v = = 3 . Выбор другого интервала времени ничего не изменит, например, на момент t = 4 с путь, пройденный телом от начала движения, составляет s = 12 м. Отношение опять равна 3 м/сек. Но так и должно быть, поскольку тело движется с постоянной скоростью. Поэтому проще всего было бы выбрать интервал времени 1 с, ведь путь, пройденный телом за одну секунду, численно равна скорости. Путь, пройденный первым телом (график 1) за 1 с, равна 6 м, то есть скорость первого тела равна 6 м/сек. Соответствующие зависимости пути от времени в этих двух тел будут:
s 1 = 6 ∙ t и s 2 =3 ∙ t.
Рис. 14.2. График пути. Остальные точек, кроме шести, указанных в таблице, поставленные в задании, что движение упровдож всего времени был равномерным
Рис. 14.3. График пути в случае разных скоростей
Подведем итоги
В физике используют три способа подачи информации: графический, аналитический (по формулам) и таблицей (массивом). Третий способ более приспособлен для решения на компьютере.
Путь численно равен площади под графиком скорости.
Чем круче график s(t), тем больше скорость.
Творческие задания
14.1. Начертите графики скорости и пути, когда скорость тела равномерно увеличивается, или уменьшается.
Упражнение 14
1. Как определяют путь на графике скорости?
2. Можно ли записать формулу для зависимости пути от времени, имея график s(t)?
3. Или изменится угол наклона графика пути, если масштаб на осях уменьшить вдвое?
4. Почему график пути равномерного движения изображается прямой?
5. Какое из тел (рис. 14.4) имеет наибольшую скорость?
6. Назовите три способа представления информации о движении тела, а также (по вашему мнению) их преимущества и недостатки.
7. Как можно определить путь по графику скорости?
8. а) Чем отличаются графики пути для тел, движущихся с разными скоростями? б) Что в них общего?
9. По графику (рис. 14.1) найдите путь, пройденный телом от начала первой до конца третьей секунды.
10. Какой путь прошло тело (рис. 14.2) за: а) две секунды; б) четыре секунды? в) Укажите, где начинается третья секунда движения, и где она заканчивается.
11. Изобразите на графиках скорости и пути движение со скоростью а) 4 м/с; б) 2 м/сек.
12. Запишите формулу зависимости пути от времени для движений, изображенных на рис. 14.3.
13. а) Найдите скорости тел по графикам (рис. 14.4); б) запишите соответствующие уравнения пути и скорости. в) Постройте графики скорости этих тел.
14. Постройте графики пути и скорости для тел, движения которых заданы уравнениями: s 1 = 5 ∙ t и s 2 = 6 ∙ t. Чему равны скорости тел?
15. По графикам (рис. 14.5) определите: а) скорости тела; б) пути, пройденные ими за первые 5 сек. в) Запишите уравнение пути и постройте соответствующие графики для всех трех движений.
16. Начертите график пути для движения первого тела относительно второго (рис. 14.3).
Для большей наглядности движение можно описывать с помощью графиков. График показывает, как изменяется одна величина при изменении другой величины, от которой первая зависит.
Для построения графика обе величины в выбранном масштабе откладывают по осям координат. Если по горизонтальной оси (оси абсцисс) откладывать время, прошедшее с начала отсчета времени, а по вертикальной оси (оси ординат) - значения координат тела, полученный график будет выражать зависимость координаты тела от времени (его также называют графиком движения).
Допустим, что тело движется равномерно вдоль оси X (рис. 29). В моменты времени и т. д. тело находится соответственно в положениях, измеряемых координатами (точка А), .
Это значит, что изменяется только его координата Для того чтобы получить график движения тела, будем откладывать значения по вертикальной оси, а по горизонтальной оси - значения времени График движения представляет собой прямую линию, показанную на рисунке 30. Это и значит, что координата линейно зависит от времени.
График зависимости координаты тела от времени (рис. 30) не следует путать с траекторией движения тела - прямой, во всех точках которой тело побывало при своем движении (см. рис. 29).
Графики движения дают полное решение задачи механики в случае прямолинейного движения тела, так как они позволяют найти положение тела в любой момент времени, в том числе и в моменты времени, предшествовавшие начальному моменту (если предположить, что тело двигалось и до начала отсчета времени). Продолжив график, изображенный на рисунке 29, в сторону, противоположную положительному направлению оси времени, мы, например, найдем, что тело за 3 сек до того, как оно оказалось в точке А, находилось в начале отсчета координаты
По виду графиков зависимости координаты от времени можно судить и о скорости движения. Ясно, что скорость тем больше, чем круче график, т. е. чем больше угол между ним и осью времени (чем больше этот угол, тем больше изменение координаты за одно и то же время).
На рисунке 31 показано несколько графиков движений с различными скоростями. Графики 1, 2 и 3 показывают, что тела движутся вдоль оси X в положительном направлении. Тело, график движения которого - прямая 4, движется в направлении, потивоположном направлению оси X. Из графиков движения можно найти и перемещения движущегося тела за любой промежуток времени.
Из рисунка 31 видно, например, что тело 3 за время между 1 и 5 сек совершило перемещение в положительном направлении, по абсолютной величине равное 2 м, а тело 4 за это же время совершило перемещение в отрицательном направлении, равное по абсолютной величине 4 м.
Наряду с графиками движения часто пользуются графиками скорости. Их получают, откладывая по оси координат проекцию скорости
тела, а по оси абсцисс по-прежнему время. Такие графики показывают, как изменяется скорость с течением времени, т. е. как скорость зависит от времени. В случае прямолинейного равномерного движения эта «зависимость» состоит в том, что скорость с течением времени не меняется. Поэтому график скорости представляет собой прямую, параллельную оси времени (рис. 32). График на этом рисунке относится к случаю, когда тело движется в сторону положительного направления оси X. График II относится к случаю, когда тело движется в противоположном направлении (так как проекция скорости отрицательна).
По графику скорости тоже можно узнать абсолютное значение перемещения тела за данный промежуток времени. Оно численно равно площади заштрихованного прямоугольника (рис. 33): верхнего, если тело движется в сторону положительного направления, и нижнего - в противоположном случае. Действительно, площадь прямоугольника равна произведению его сторон. Но одна из сторон численно равна времени а другая, - скорости . А их произведение как раз и равно абсолютному значению перемещения тела.
Упражнение 6
1. Какому движению соответствует график, изображенный пунктиром на рисунке 31?
2. Пользуясь графиками (см. рис. 31), найдите расстояние между телами 2 и 4 в момент времени сек.
3. По графику, изображенному на рисунке 30, определите модуль и направление скорости.
