主要内容
什么是速度-时间曲线?
如何分析速度-时间曲线,并将其与加速度和位移联系起来。
在速度曲线中,纵轴表示什么?
纵轴表示物体的速度。这个好像很明显,但是需要先给你打个预防针——很多人觉得速度曲线很难理解。大家已经习惯了用斜率来确定速度——在位置曲线中就是如此——但他们忘记了,对于速度曲线,纵轴就是速度的值。
尝试在下面图中横向滑动圆点,选择不同时间,看看速度是怎么变化的。
概念测试:在上图中,物体在时间 处的速度是多少?
速度曲线的斜率表示什么?
速度曲线的斜率表示了物体的加速度。 所以,在某一时刻的斜率值表示物体在这一时刻的加速度。
速度曲线的斜率可以通过如下公式得出:
由于 是加速度的定义,因此速度曲线的斜率一定等于物体的加速度。
这意味着,当斜率很大时,物体的速度会改变很快,当斜率平缓时,物体的速度变化就没那么快。这也意味着,如果斜率是负的——方向向下——加速度就是负的,如果斜率是正的——方向向上——那么加速度也是正的。
试着在下面的速度曲线上横向滑动圆点,看看每个时刻的斜率是怎么变化的。
在 到 之间,曲线的斜率是正的,因为斜率方向向上。这意味着加速度为正。
在 和 之间,曲线的斜率是负的,因为斜率方向向下,这意味着加速度为负。
在 时,斜率为零,因为此时切线是水平的。这意味着在此时加速度为零。
概念检测:运动如上图所示的物体在 时是加速还是减速?
速度曲线下方的面积表示什么?
曲线下方的面积表示物体的位移。 要了解原因,请考虑如下速度曲线的图像,该图像表示物体保持6米每秒的速度不变,运动了5秒钟。
要计算物体在此时间间隔的位移,可以使用如下公式
得出位移为 。
现在我们证明这个结果等于速度曲线下方的面积。考虑下图中的矩形区域。
矩形的高是 6 m/s,宽是 5 s,我们可以计算其面积为
这跟我们之前的计算结果是相同的。
速度曲线下方的面积,无论形状如何,都等于该时间间隔内的位移。
涉及到速度时间图像的具体问题有哪些?
例1:帆板的速度变化
一个帆板玩家沿直线行驶,她的运动由如下图像所示。
以下关于这个帆板玩家的速度和加速度的说法正确的有哪些,请选出来。
(A) 速度在增大。
(B) 加速度在增大。
(C) 速度在减小。
(D) 加速度在减小。
(B) 加速度在增大。
(C) 速度在减小。
(D) 加速度在减小。
选 A 和 D,速度增大,加速度减小。
速度曲线的斜率表示加速度。由于曲线的斜率在减小,在变得平缓,这意味着加速度在减小。
说起来似乎违反直觉,但这位帆板玩家在整个过程中都是在加速的。表示速度的曲线纵坐标,在整个运动过程中一直在增大,但每秒增加量越来越小。在前 4.5 秒,速度从 0 m/s 增加到 5 m/s,但在第二个 4.5 秒中,速度从 5 m/s 只增加到 7 m/s 左右。
例2:卡丁车加速
下面的速度时间图像描述了一辆卡丁车的运动。
A. 在时间 时,卡丁车的加速度是多少?
B. 从 到 ,卡丁车的位移是多少?
B. 从
A. 计算卡丁车在 时刻的加速度
可以通过计算 时刻速度曲线的斜率,来得出在 时刻卡丁车的加速度。
我们分别选择起始点—— ,和终点—— 。代入两点计算斜率的公式,我们得到:
B. 计算从 到 之间卡丁车的位移
我们可以通过计算速度曲线下方区域的面积来计算位移。这部分区域可以看作是一个矩形(从 到 )和一个三角形(从 到 )。只要计算出这两部分面积再加起来,我们就能得出总位移。
矩形的面积计算如下
三角形的面积计算如下
这两部分面积加起来得出总位移。