剖析物理圖象涵義 解決物理力學(xué)問題

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中物理 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)


    在對(duì)物理規(guī)律與現(xiàn)象進(jìn)行描述時(shí),為了更加直觀,我們經(jīng)常借助于函數(shù)圖象,用縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)不同的物理量,這就形成了物理圖象,在中學(xué)物理課程的力學(xué)部分,涉及到許多的物理圖象,其中以位移—時(shí)間(x-t)圖象和速度—時(shí)間(v-t)圖象的應(yīng)用最為廣泛。正確把握這些圖象的涵義,有利于提高對(duì)物理問題的解決能力,培養(yǎng)科學(xué)的思維方法。下面筆者以一些圖象為例,對(duì)其進(jìn)行剖析與應(yīng)用。
  
  一、圖象中直線的斜率的物理涵義
  
  為一物體做直線運(yùn)動(dòng)的位移—時(shí)間(x-t)圖象,圖象為一直線,說明運(yùn)動(dòng)過程中,物體在相同的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的位移相等,做的是勻速直線運(yùn)動(dòng),直線的斜率應(yīng)表示位移與發(fā)生這些位移所用時(shí)間的比值,即速度。為一物體做直線運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間(x-t)圖象,圖象為一直線,說明運(yùn)動(dòng)過程中,物體在相同的時(shí)間內(nèi)速度的改變量相等,物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng),直線的斜率應(yīng)表示速度變化量與發(fā)生這些變化所用時(shí)間的比值,即加速度?梢钥闯觯瑢(duì)應(yīng)直線圖象中直線的斜率的物理量應(yīng)該是縱坐標(biāo)物理量與橫坐標(biāo)物理量的比值。
  
  例1:為做直線運(yùn)動(dòng)的某質(zhì)點(diǎn)在6s內(nèi)的x-t圖象,則對(duì)于該質(zhì)點(diǎn)在6s內(nèi)的運(yùn)動(dòng),以下說法正確的是:
  
  A.質(zhì)點(diǎn)在2s~4s內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng);
  
  B.質(zhì)點(diǎn)在前2s內(nèi)速度最大;
  
  C.質(zhì)點(diǎn)在2s~4s內(nèi)速度最大;
  
  D.質(zhì)點(diǎn)在4s~6s內(nèi)速度最大。
  
  解析:由圖象可以看出質(zhì)點(diǎn)在前2s內(nèi)和4s~6s內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng),其中4s~6s內(nèi)的斜率最大,因此速度最大,在2s~4s內(nèi)靜止。因此D答案正確。
  
  例2:一質(zhì)量為1Kg的物體以某一初速度在水平面上滑行,由于摩擦阻力作用,其動(dòng)能隨位移變化的圖象,則以下說法正確的是:
  
  A.物體與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5;
  
  B.物體與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2;
  
  C.物體滑行的總時(shí)間為4s;
  
  D.物體滑行的總時(shí)間為2.5s。
  
  解析:由動(dòng)能定理可知物體動(dòng)能的變化量等于外力對(duì)物體做的總功,這里只有摩擦阻力做負(fù)功,即,圖象中的斜率就是,由此可得μ=0.25.再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式、動(dòng)能定義式和牛頓第二定律即可求出物體滑行的總時(shí)間為4s。故C答案正確。
  
  二、圖象中曲線上某點(diǎn)的切線的斜率的物理涵義
  
  曲線上某點(diǎn)的切線的斜率是所對(duì)應(yīng)物理量的瞬時(shí)值。切線的斜率分別表示物體在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度。
  
  例3:為某質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的x-t圖象,請(qǐng)根據(jù)該圖象指出質(zhì)點(diǎn)速度的大小及其變化情況。
  
  解析:由圖象可以看出,在平衡位置,位移最小,但斜率最大,因此速度最大,在最大位移處,位移最大,但斜率最。0),因此速度最。0)。當(dāng)物體由平衡位置向最大位移處運(yùn)動(dòng)時(shí),斜率變小,速度變小,當(dāng)物體由最大位移處向平衡位置運(yùn)動(dòng)時(shí),斜率變大,速度變大。
  
  三、圖象和坐標(biāo)軸之間所夾的對(duì)應(yīng)面積的物理涵義
  
  圖象和坐標(biāo)軸之間所夾的對(duì)應(yīng)的面積,應(yīng)該是橫坐標(biāo)所代表物理量與縱坐標(biāo)所代表物理量的乘積。在速度-時(shí)間(v-t)圖象中,圖象與時(shí)間軸所夾的對(duì)應(yīng)時(shí)刻t1、t2之間的陰影部分面積,表示t1到t2時(shí)間內(nèi)物體發(fā)生的位移。
  
  例4:一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在平直的路面上運(yùn)動(dòng),先是以2.5m/s-2的加速度勻加速直線運(yùn)動(dòng),然后做勻速直線運(yùn)動(dòng),一共用了12s的時(shí)間,位移為100m。求質(zhì)點(diǎn)在勻速階段的速度大小。
  
  解析:先做出質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間(v-t)圖象。梯形的高應(yīng)為v=at1,再根據(jù)梯形面積公式,可以得出[(t-t1)+t]at1/2=s,代入數(shù)據(jù)可得[(12-t1)+12]×2.5×t1/2=100,即可得加速階段的時(shí)間t1=4s,再帶入v=at1就得出了質(zhì)點(diǎn)在勻速運(yùn)動(dòng)階段的速度為10m/s。
  
  練習(xí)題:在光滑的水平面上,放著長(zhǎng)為L(zhǎng),質(zhì)量為M的木板,在木板左端放一個(gè)質(zhì)量為m的物塊(可視為質(zhì)點(diǎn)),物塊和木板都處于靜止?fàn)顟B(tài)。今對(duì)物塊m施加一水平向右的恒力F,設(shè)物塊與木板分離時(shí)木板的速度為v,則以下判斷正確的是:
  
  A.若只增大物塊質(zhì)量m,則v變大;
  
  B.若只增大物塊質(zhì)量m,則v變;
  
  C.若只增大恒力F,則v變小;
  
  D.若只增大恒力F,則v變大。
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