Построить график зависимости высоты и скорости от времени

Свободное падение – FIZI4KA

Построить график зависимости высоты и скорости от времени

ОГЭ 2018 по физике ›

1.Свободное падение — падение тел в безвоздушном пространстве под действием притяжения к Земле. Наблюдения свидетельствуют о том, что скорость свободно падающего тела увеличивается с течением времени. Поскольку на свободно падающее тело действует единственная сила — сила тяжести, то его ускорение постоянно, т.е. свободное падение — движение равноускоренное.

2. Опыт показывает, что все свободно падающие тела движутся с одинаковым ускорением.

Так, если вертикально расположенную трубку, в которой находятся три тела, имеющие разную массу: пёрышко, кусочек пробки и дробинку, перевернуть, то эти тела будут падать на дно трубки.

При этом, если в трубке есть воздух, то из-за сопротивления воздуха они упадут не одновременно: дробинка упадёт раньше всех, а пёрышко позже всех тел. Если же воздух из трубки откачать, то тела упадут на дно одновременно.

3. Ускорение свободного падения обозначатся буквой ​\( g \)​, оно имеет одинаковое для всех тел значение при одинаковых условиях. Для широты Москвы оно равно 9,81 м/с2 или 10 м/с2.

Значение ускорения свободного падения зависит от географической широты местности. Это объясняется тем, что сила тяжести, действующая на данное тело на экваторе, меньше, чем сила тяжести, действующая на него на полюсе. Поэтому ускорение свободного падения на полюсе равно 9,83 м/с2, а на экваторе — 9,78 м/с2.

Ускорение свободного падения зависит от высоты тела над поверхностью Земли. Чем выше поднято тело, тем слабее оно притягивается к Земле, тем меньше ускорение свободного падения.

4. Уравнения зависимости от времени модуля скорости, пути и модуля перемещения свободно падающего тела с высоты ​\( h \)​ (рис. 23).

\[ v=gt;l=gt2/2;s=gt2/2. \]

Уравнения зависимости от времени проекции скорости и координаты свободно падающего тела с некоторой высоты тела:

\[ v_y=g_yt;y=y_0+g_yt2/2 \]

Знаки проекций зависят от направления оси координат и начала координат. В соответствии с рисунком

\[ v_y=-gt;y=h-gt2/2 \]

5. График зависимости модуля скорости от времени при свободном падении приведён на рисунке (рис. 24).

6. График зависимости проекции скорости от времени при свободном падении приведены на рисунке (ось Y направлена вертикально вверх) (рис. 25).

7. Тело, брошенное вертикально вверх, тоже движется равноускоренно с ускорением ​\( g \)​, которое направлено вертикально вниз. В этом случае, в отличие от свободного падения, скорость и ускорение движения направлены в противоположные стороны (рис. 26).

8. Уравнения зависимости от времени модуля скорости, пути и модуля перемещения тела, брошенного вертикально вверх с начальной скоростью ​\( v_0 \)​:​

\[ v=v_0-gt; l=v_0t-gt2/2; s=v_0t-gt2/2 \]

​Записанная формула зависимости пути от времени может быть использована только при движении тела в одну сторону (в данном случае вверх).

Уравнения зависимости от времени проекции скорости и координаты тела, брошенного вертикально вверх с начальной скоростью ​\( v_0 \)​ (ось Y направлена вертикально вверх): ​\( v_y=v_{0y}+g_yt;y=y_0+v_{0y}t+g_yt2/2 \)​. Если тело брошено из начала координат, то ​\( y_0=0 \)​ и ​\( y=v_0t-gt2/2,v_y=v_0-gt \)​.

9. График зависимости модуля скорости от времени при движении тела вертикально вверх приведён на рисунке (рис. 27).

  • Примеры заданий

Часть 1

1. Свободное падение — это

1) любое движение тела в безвоздушном пространстве 2) движение тела вертикально вверх в безвоздушном пространстве 3) падение тела в безвоздушном пространстве

4) падение тела в как безвоздушном пространстве, так и в воздухе

2. В трубке, из которой откачали воздух, одновременно с одной высоты начали падать три шарика: пенопластовый, пластилиновый и железный. Какой из шариков раньше коснется дна трубки?

1) пенопластовый 2) пластилиновый 3) железный

4) все шарики коснутся дна одновременно

3. Значение ускорения свободного падения зависит от

А. Массы тела.
Б. Широты местности.

Верными являются ответы:

1) только А 2) только Б 3) и А, и Б

4) ни А, ни Б

4. Мяч падает с одинаковой высоты на поверхность Земли из состояния покоя на экваторе и на широте Москвы. В отсутствие сопротивления воздуха время падения мяча на экваторе

1) равно времени его падения на широте Москвы 2) больше времени его падения на широте Москвы 3) меньше времени его падения на широте Москвы

4) ответ может быть любым в зависимости от объёма

5. Мяч падает с одинаковой высоты на поверхность Земли из состояния покоя на экваторе и на широте Москвы. В отсутствие сопротивления воздуха скорость мяча у поверхности Земли на экваторе

1) равна его скорости на широте Москвы 2) больше его скорости на широте Москвы 3) меньше его скорости на широте Москвы

4) ответ может быть любым в зависимости от объёма

6. По какой формуле рассчитывается модуль скорости тела, брошенного вертикально вверх с поверхности Земли

1) ​\( v=v_0+gt \)​
2) \( v=v_0-gt \)
3) \( v=v_0+gt/2 \)
4) \( v=gt \)

7. Какой из приведённых ниже графиков является графиком зависимости модуля скорости от времени свободного падения тела?

8. Какой из приведённых ниже графиков является графиком зависимости от времени проекции скорости тела, брошенного вертикально вверх, достигшего верхней точки и затем упавшего на Землю?

9. Чему равен модуль скорости свободно падающего тела через 4 с после начала падения?

1) 0,4 м/с 2) 4 м/с 3) 40 м/с

4) 160 м/с

10. На какую высоту поднимется тело, брошенное вверх со скоростью 20 м/с?

1) 20 м 2) 10 м 3) 2 м

4) 1 м

11. Тело, брошенное вертикально вверх, долетело до верхней точки и начало падать вниз. Установите соответствие между величиной, приведенной в левом столбце, и характером её изменения, приведенном в правом столбце. В таблице под номером элемента знаний левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ВЕЛИЧИНА A) модуль перемещения Б) путь

B) координата относительно поверхности Земли

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ 1) увеличивается 2) уменьшается

3) не изменяется

12. Два тела одновременно начали свободно падать в одном и том же месте Земли: одно с высоты ​\( h_1 \)​, другое — с высоты ​\( h_2 \)​. При этом ​\( h_1​

Источник: https://fizi4ka.ru/ogje-2018-po-fizike/svobodnoe-padenie.html

Построение графика

Построить график зависимости высоты и скорости от времени

Выделим диапазон ячеек B3:B20, содержащий данные для построения графика. Значения из столбца A (диапазон A3:A20) будут откладываться по оси ОХ (ось времени), значения из столбца B (диапазон B3:B20) – по оси OY.

Выберем команду Вставка, Диаграмма. С помощью мастера диаграмм построим график в четыре этапа (шага):

Шаг 1.

В диалоговом окне Тип диаграммы на вкладке Стандартные выбрать тип диаграммы Точечная и видТочечная диаграмма со значениями, соединенными сглаживающими линиями.

Щелкнуть на кнопке Далее.

Шаг 2.

В окне Источник данных диаграммы на вкладке Диапазон данных проверить, что диапазон данных выбран правильно и установлен флажок опции Ряды в столбцах.

Выбрать вкладку Ряд и в поле Имя: ввести название графика Зависимость v от t.

Установить курсор в поле «Подписи оси Х» и занести диапазон ячеек по переменной t (столбец А – диапазон A3:A20).

Щелкнуть на кнопке Далее.

Шаг 3.

На этом шаге задаются параметры диаграммы (окно Параметры диаграммы).

На вкладке Заголовки ввести название диаграммы и наименования осей координат с указанием единиц измерения величин, откладываемых по этим осям:

в поле Название диаграммыГрафик зависимости v от t;

в поле Ось X (категорий) — Время t, (с);

в поле Ось Y (значений) — Скорость v, (м/c).

Шаг 4.

Последний шаг определяет местоположение диаграммы – окно Размещение диаграммы.Выбрать вариант –на том же листе.

Щелкнуть на кнопке Готово.

Результаты вычислений, выполненных в табличном процессоре:

Рисунок 1

Рисунок 2

Учтем, что t для разных задач нужно выбирать индивидуально. Если в задаче о безпарашютисте можно t взять равным 2 сек., то в задаче о парашютисте (при k2 @ 20) t равно 0,2 сек, т.к.

скорость падения меньше. При падении в вязкой среде скорость чрезвычайно мала, поэтому t берется очень маленьким – например, 0,01 – 0,02 сек.

При падении в вязкой среде нужно учитывать линейную составляющую скорости в силе сопротивления.

Примерно через 22 сек. после начала полета скорость становится постоянной и остается такой до приземления. Отметим, что в рассматриваемой ситуации сопротивление воздуха радикально меняет характер движения; при отказе от его учета график скорости заменился бы касательной к нему в начале координат.

Задача о падении шарика в вязкой среде

Шар, сделанный из чугуна, радиуса r = 0,1 м падает в глицерине, встречая силу сопротивления, пропорциональную скорости и силу гидростатического выталкивания (силу Архимеда). Найти изменение скорости и высоты падения при изменении времени. Построить графики зависимости скорости и высоты от времени.

Решение.

На шарик, падающий в вязкой среде, по вертикали действуют три силы:

— сила тяжести (тяготения) где Vоб – объем шара;

— сила гидростатического выталкивания (сила Архимеда):
где – плотность жидкости,

— сила сопротивления среды: .

Учитывая действие трех сил, аналогично системе (7) в проекции на вертикальную ось в данном случае получим:

(16)

Докажем, что скорость мала и квадратичную составляющую скорости в Fcoпp можно не учитывать.

При относительно малых скоростях величина силы сопротивления пропорциональна скорости и имеет место соотношение Fcoпp = k1v, где k1 определяется свойствами среды и формой тела.

Например, для шарика k1 = 6πμr — это формула Стокса, где r — радиус шарика, μ -динамическая вязкость среды.

Таблица вязкости текучих веществ при t = 20°С и давлении 1 атм

Вещество μ , [Н∙с/м2]
Воздух 0,0182
Вода 1,002
Глицерин

Оценим, при какой скорости для падающего вертикально шара силы сопротивления и выталкивания сравняются с силой тяжести и движение станет равномерным, то есть:

Fт= FАрх+ Fcoпp,

Имеем

или

Пусть r = 0,1 м, плотность чугуна: , плотность глицерина: , вязкость глицерина: .

Учитывая, что 1Н (Ньютон) = 1(кг×∙м)/с2, то вязкость глицерина можно выразить: . Тогда:

Итак, при падении шара в глицерине скорость, при которой движение станет равномерным, равна v* ≈ 0,1 м/с. Таким образом, скорость достаточно мала, поэтому вкладом квадратичной составляющей силы сопротивления можно пренебречь, то есть действительно Fсопр= k1v. Учитывая обозначение: , получим систему уравнений:

(17)

Это эквивалентно системе (16), что и требовалось доказать.

В соответствии с методом Эйлера-Коши запишем итерационное уравнение нахождения значения скорости vi+1 через vi. Обозначим правую часть второго уравнения системы (17), записанного в дискретном виде, через :

(18)

Согласно методу Эйлера – Коши запишем формулы:

(19)

Тогда подставляя (18) в формулы (19), получаем

В итоге получим:

(20)

Рассмотрим теперь первое уравнение в системе (16), поскольку нам необходимо также исследовать зависимость высоты полета h от времени:

Получим итерационную формулу для вычисления h:

или

Поскольку

Тогда

(21)

Данная задача решается с помощью табличного процессора Excel.

В таблице Excel расположим в столбце D начальные данные:

в D2 – значение τ =0,02,

в D4 – значение m( )

в D6 – значение m∙g

в D8 – значение k1 (k1 = 6πμr =2788,32 [Н∙с∙м-1])

в D10 – значение m ( )

Тогда для вычисления значения v1 в соответствии с итерационной формулой (20) в столбце В в ячейке В4 нужно записать формулу:

=B3+$D$2/2*(($D$6–$D$8*B3)/$D$10+($D$6–$D$8*(B3+$D$2*($D$6–

–$D$8*B3)/$D$10))/$D$10)

и произвести автозаполнение столбца В.

В столбце С в ячейку С4 нужно записать формулу: = С3+B4*$D$2 в соответствии с итерационной формулой (21) и произвести автозаполнение столбца C.

С использованием итерационных формул таблица имеет вид:

Результаты вычислений, выполненных в табличном процессоре:

Вывод: примерно через t=0,5 сек. после начала падения скорость становится постоянной и остается такой до конца (график выравнивается, становится параллельным оси изменения времени). При падении в вязкой среде скорость мала, за доли секунды она становится постоянной, поэтому шаг по времени τ берется очень маленьким, например 0,02 сек.

Предыдущая123456789101112Следующая

Дата добавления: 2015-01-13; просмотров: 2031; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/2-10128.html

Решу егэ

Построить график зависимости высоты и скорости от времени

3.2.1. Как правильно понимать условия задачи?

Скорость тела увеличилась в n раз:

Скорость уменьшилась в n раз:

Скорость увеличилась на 2 м/с:

Во сколько раз увеличилась скорость?

Во сколько раз уменьшилась скорость?

Как изменилась скорость?

На сколько увеличилась скорость?

На сколько уменьшилась скорость?

Тело достигло наибольшей высоты:

Тело прошло половину расстояния:

Тело бросают с земли: (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: начальная скорость направлена вниз.

Тело бросают вверх: начальная скорость направлена вверх.

В момент падения на землю:

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:

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

Для графика 1:

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

Для графика 2:

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

Для определения и 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:

где и — площади фигур, закрашенных на рисунке.

Для определения перемещения нужно заметить, что в точках и тело меняет направление движения. Проезжая путь тело движется в положительном направлении оси Ox, так как график лежит над осью времени.

Проезжая путь тело движется в обратную сторону, в отрицательном направлении оси Ox так как график лежит под осью времени. Проезжая путь , тело движется в положительном направлении оси Ox, так как график лежит над осью времени.

Таким образом, перемещение равно:

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 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 скорость тела равна нулю и начальная координата

1) От 0 до

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

следовательно, движение равноускоренное и закон изменения скорости имеет вид:

К концу данного промежутка времени () скорость () и координата () будут равны (вместо времени в формулы и нужно подставить ):

2) От до

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:

следовательно, движение равноускоренное и закон изменения скорости имеет вид:

К концу данного промежутка времени () скорость () и координата () будут равны (вместо времени в формулы и нужно подставить ):

3) От до

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:

следовательно, движение равноускоренное и закон изменения скорости имеет вид:

К концу данного промежутка времени () скорость () и координата () будут равны (вместо времени в формулы и нужно подставить ):

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

На графике скорости:

1) От 0 до прямая линия, «поднимающаяся вверх» (т. к. );

2) От до горизонтальная прямая линия (т. к. );

3) От до : прямая линия, «опускающаяся вниз» (т. к. ).

На графике координаты:

1) От 0 до : парабола, ветви которой направлены вверх (т. к. );

2) От до : прямая линия, поднимающаяся вверх (т. к. );

3) От до : парабола, ветви которой направлены вниз (т. к. ).

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

Пусть дан график равнопеременного движения.

Закон равнопеременного движения имеет вид:

В этой формуле три неизвестные величины: и

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

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

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

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

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

Закон равнопеременного движения имеет вид:

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 — это ускорение, деленное пополам.

Например, пусть дан закон:

Тогда

И уравнение скорости имеет вид:

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:

В нашем примере:

3.2.7. Как определить место и время встречи?

Пусть даны законы движения двух тел:

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

Перепишем его в виде:

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: и 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 Требуется найти, какой путь проходит тело за n-ую секунду.

Для решения этой задачи необходимо воспользоваться формулой (3.25):

Обозначим Тогда

Поделим уравнение на и получим:

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

Тело, брошено вверх с высоты h со скоростью

Уравнение координаты y в произвольный момент времени:

Уравнение проекции скорости в произвольный момент времени:

Время подъема до наивысшей точки полета определяется из условия :

Для нахождения максимальной высоты H необходимо в необходимо подставить :

Время всего полета определяется из условия Получаем уравнение:

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

Скорость в момент падения:

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

Тело, брошено вверх с высоты h со скоростью

Уравнение координаты y в произвольный момент времени:

Уравнение проекции скорости в произвольный момент времени:

Время всего полета определяется из уравнения:

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

Скорость в момент падения:

3.2.11. Как движется тело брошенное вверх с поверхности земли?

Тело брошено вверх с поверхности земли со скоростью

Уравнение координаты y в произвольный момент времени:

Уравнение проекции скорости в произвольный момент времени:

Время подъема до наивысшей точки полета определяется из условия

Для нахождения максимальной высоты H необходимо в (3.89) необходимо подставить

Время всего полета определяется из условия Получаем уравнение:

Скорость в момент падения:

Заметьте, что что означает — время подъема равно времени падения на ту же высоту.

Также получили: то есть — с какой скоростью бросили, с такой же скоростью тело упало. Знак «−» в формуле 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:

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

решение которого имеет вид:

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

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

Тогда время полета от начала движения до максимальной высоты:

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

Все время полета равно:

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

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

Тело, брошено горизонтально с высоты h со скоростью

Проекции начальной скорости на оси:

Проекции ускорения:

Проекции скорости в произвольный момент времени t:

Модуль скорости в произвольный момент времени t:

Координаты тела в произвольный момент времени t:

Время полета определяется из условия

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

Для определения скорости тела в момент падения необходимо в уравнение вместо t подставить

Угол, под которым падает тело на землю:

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

Проекции начальной скорости на оси:

Проекции ускорения:

Проекции скорости в произвольный момент времени t:

Модуль скорости в произвольный момент времени t:

Координаты тела в произвольный момент времени t:

Время полета до наивысшей точки определяется из условия

Скорость в наивысшей точке полета

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

Все время полета находится из условия получаем уравнение:

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

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

Скорость в момент падения

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

Угол падения:

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

Проекции начальной скорости на оси:

Проекции ускорения:

Проекции скорости в произвольный момент времени t:

Модуль скорости в произвольный момент времени t:

Координаты тела в произвольный момент времени t:

Время полета до наивысшей точки определяется из условия

Скорость в наивысшей точке полета

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

Все время полета находится из условия получаем уравнение:

Получаем

Снова получили, что то есть еще раз показали, что время подъема равно времени падения.

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

Скорость в момент падения

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

Угол падения:

то есть

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:

Отсюда

Из физических соображений ясно, что угол α не может быть больше 90°, поэтому, из серии решений уравнения подходят два корня:

Траектория движения, для которой называется настильной траекторией. Траектория движения, для которой 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 так, что дальность полета максимальна. К моменту падения на землю скорость тела равна Сколько длился полет?

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

Здесь мы воспользовались формулой (3.121).

Найдем площадь этого же треугольника по другой формуле:

Так как это площади одного и того же треугольника, то приравняем формулы и :

Откуда получаем

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 зависит только от угла между начальной и конечной скоростью β.

Тогда дальность полета L будет максимальной, если примет максимально возможное значение, то есть

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

Откуда получаем

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:

Выразим сторону BD из треугольника ABD:

Приравняем и :

Откуда находим время полета:

Выразим AD из треугольника ABD:

Выразим сторону DC из треугольника BCD:

Но Получаем

Подставим в это уравнение, полученное выражение для времени полета :

Окончательно получаем

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

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

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 Единственная открытая дверь в одном из вагонов оказалась от пассажира на расстоянии 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:

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

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

Закон движения и двери и человека имеет вид:

Подставим условия и в уравнение для каждого из движущихся тел:

Мы составили уравнение движения для каждого из тел. Теперь воспользуемся уже известным алгоритмом для нахождения места и времени встречи двух тел — нам нужно приравнять и :

Откуда получаем квадратное уравнение для определения времени встречи:

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 будет иметь один единственный корень, то есть

Откуда находим минимальную скорость:

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:

В нашем случае:

начальная координата:

начальная скорость:

Подставим условия в закон движения:

Подставляя в уравнение движения нужные значения времени, будем получать координаты тела в эти моменты.

В момент падения координата тела

За с до момента падения, то есть при координата тела

Уравнения и составляют систему уравнений, в которой неизвестны H и Решая эту систему, получим:

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

Источник: https://phys-ege.sdamgia.ru/handbook?id=161

Графики равномерного прямолинейного движения (Колебошин С.В.). урок. Физика 10 Класс

Построить график зависимости высоты и скорости от времени

На этом уроке мы узнаем, как графическим методом описать прямолинейное равномерное движение. Научимся строить график такого движения по закону или с помощью графика записывать закон движения. Также узнаем геометрический смысл графика зависимости проекции скорости от времени и решим несколько типовых задач на данную тему.

На прошлом уроке мы изучили прямолинейное равномерное движение (далее ПРД). На примере такого движения мы познакомимся и начнем работать с одним из способов изучения физических процессов – графическим способом. С таким способом представления информации мы хорошо знакомы: биржевые сводки (рис. 1), прогнозы погоды (рис. 2), инфографика (рис. 3).

Рис. 1. Биржевые сводки

Рис. 2. Прогноз погоды

Рис. 3. Инфографика

Работа с графиками очень удобна и полезна. Например, сравните данные о погоде на рис. 4 и рис. 5. С помощью графика можно мгновенно оценить, в какой день была самая высокая температура, самая низкая, одинаковая и т. д.

Рис. 4. Табличный способ задания температуры в каждый день недели

Рис. 5. Данные о температуре, заданные с помощью графика

[00:01:56Формулы для прямолинейного равномерного движения]

1. Проекция перемещения

2. Закон прямолинейного равномерного движения (зависимость координаты от времени)

В этих формулах значения величин  (начальной координаты) и  (проекции скорости) являются постоянными, а значения  (перемещения),  (координаты) и t (времени) – переменными.

Из курса математики нам известно уравнение, аналогичное . Это уравнение прямой (линейная зависимость):

Следовательно, графически обе зависимости будут выглядеть одинаково.

Такой график проходит через начало координат и представляет собой график прямой пропорциональной зависимости. В зависимости от знака проекции скорости проекция перемещения возрастает или убывает со временем.

На рисунке 6 для первого и второго тела проекция скорости больше нуля (у первого тела модуль скорости больше, так как больше наклон графика), для четвертого – меньше нуля.

Для третьего тела проекция перемещения равна нулю, поэтому тело находится в состоянии покоя, проекция скорости равна нулю.

Рис. 6. График прямолинейного равномерного движения

Для ПРД путь всегда равен модулю перемещения, поэтому при проекции скорости, большей нуля, графики пути от времени  и перемещения от времени  совпадают (рис. 7а). Если проекция скорости меньше нуля, то график  будет являться зеркальным отражением графика  относительно оси времени (путь не может уменьшаться с течением времени) (рис. 7б).

Рис. 7а. График зависимости перемещения от времени  и пути от времени  при

Рис. 7б. График зависимости перемещения от времени  и пути от времени  при

График зависимости координаты от времени  легко получить смещением графика  вверх или вниз (в зависимости от знака начальной координаты ). На рисунке 8 показаны графики  для нескольких движений, имеющих одинаковую скорость  и различные координаты начальной точки: для первого тела – , для второго – , для третьего – , для четвертого – .

Рис. 8. График зависимости координаты от времени

При построении графиков в физике необходимо подписывать каждую ось не только символом той или иной физической величины, но и ее единицами измерения (рис. 9).

Рис. 9. Примеры оформления графиков в физике

Постройте графики движений, описываемых уравнениями: , .

Решение

Общий вид закона  при ПРД:

Для первого движения:

— начальная координата ;

— проекция скорости .

Для второго движения:

— начальная координата ;

— проекция скорости .

Графики данных движений являются прямыми, поэтому для их построения нужны две точки. Одна точка – это начальная координата. Вторую точку найдем, подставив произвольный момент времени t в соответствующее уравнение движения.

Для первого тела возьмём 2 с:

 м

Для второго тела возьмем :

м

Получили вторую точку, следовательно, можно строить графики движений (рис. 10).

1 – график движения, описываемый уравнением  ;

2 – график движения, описываемый уравнением .

Рис. 10. Иллюстрация к задаче

По имеющимся графикам зависимости координаты от времени запишите уравнения движения тел (рис. 11). Определите графически время и место встречи тел. Проверьте полученный результат аналитически.

Рис. 11. Иллюстрация к задаче

Решение

Закон ПРД в общем виде:

1. Для каждого тела находим начальную координату и проекцию скорости.

Для первого тела:

;

Проекция скорости равна отношению перемещения ко времени:

Координату  берем в произвольный и удобный для нас момент времени. Например, через 6 секунд () координата :

Следовательно, для первого тела уравнение движения выглядит так:

Для второго тела:

Через 2 секунды координата :

Для второго тела уравнение движения выглядит так:

2. Встреча двух тел – точка, в которой координаты тел одинаковые. На рисунке 12 видно эту точку. Опустим из нее перпендикуляры на ось времени (время встречи) и на ось координат (место встречи).

Рис. 12. Иллюстрация к задаче

Графически трудно определить точные числовые значения времени и места встречи. Приблизительно они равны:

Точные координаты можно определить аналитически. Так как координаты тел при пересечении совпадают, то , то есть можно приравнять уравнения движений:

Подставим данное значение времени встречи в любое уравнение движения, например во второе:

ПРД можно охарактеризовать как движение с постоянной скоростью и по модулю, и по направлению, а это значит, что график проекции скорости от времени для такого движения будет представлять собой горизонтальную прямую. Например, графикам зависимости перемещения от времени на рисунке 6 соответствуют графики зависимости проекции скорости от времени на рисунке 13.

Рис. 13. Графики зависимости  и  для ПРД

Если в качестве положительного направления оси Х выбрать направление справа налево, то тогда первое и второе тело будет моделироваться движением легкового автомобиля (рис. 14), а движение четвертого тела будет моделироваться движением грузового автомобиля (его проекция скорости отрицательна). Третье тело находится в состоянии покоя.

Рис. 14. Моделирование движения первого, второго и четвертого тел

С помощью графика  можно определять перемещение тела (геометрический смысл перемещения).

Пусть нас интересует перемещение тела за некоторое время t (рис. 15). Опустим перпендикуляр к оси абсцисс из соответствующей точки графика зависимости проекции скорости от времени. Рассмотрим полученный прямоугольник, его площадь равна произведению высоты  на основание t:

Но произведение  на t – это перемещение. Следовательно, площадь фигуры между графиком  и осью абсцисс численно равна модулю перемещения тела.

Рис. 15. График зависимости

Пользуясь только графиком  решить главную задачу механики невозможно (определить положение тела в любой момент времени), так как для этого необходимо знать начальную координату тела .

По имеющемуся графику зависимости проекции скорости от времени (рис. 16) постройте график зависимости координаты от времени, если известно, что тело начало свое движение из точки с координатой 2 метра.

Рис. 16. Иллюстрация к задаче

Решение

1. Определим уравнение движения тела.

Из графика  видно, что тело движется равномерно прямолинейно. В общем виде закон ПРД выглядит так:

Начальная координата известна из условия . Из графика видно, что проекция скорости равна .

Следовательно, уравнение движения выглядит так:

2. Построим график движения для получившегося уравнения. График представляет собой прямую линию. Для ее построения необходимо 2 точки: одна точка нам известна – , вторую точку найдем, подставив произвольный момент времени t в соответствующее уравнение движения (рис. 17).

Рис. 17. Иллюстрация к задаче

Получили соответствующий графику  график .

На этом уроке мы научились описывать ПРД графическим методом. То есть, видя график такого движения, можем записать закон или, наоборот, по закону построить график.

Мы узнали геометрический смысл графика зависимости проекции скорости от времени.

Следовательно, мы изучили всё о ПРД и можем смело переходить к другим более сложным видам движения, так как в природе ПРД встречается крайне редко. Чаще всего, это неравномерное движение (рис. 18).

Рис. 18. Неравномерное движение

Список литературы

  1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
  2. А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10–11. – М.: Дрофа, 2006.
  3. О.Я. Савченко. Задачи по физике. – М.: Наука, 1988.
  4. А.В. Перышкин, В.В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. – М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал «znatok.grodno.by» (Источник)

Домашнее задание

  1. Упражнение 1 (1, 2) стр. 22 – Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10 (см. список рекомендованной литературы);
  2. Что представляет собой график зависимости координаты тела от времени при равномерном прямолинейном движении?
  3. Вдоль оси Ox движутся два тела, координаты которых изменяются согласно формулам:  и . Как движутся эти тела? В какой момент времени тела встретятся? Найдите координату точки встречи.
  4. Как по графику зависимости  определяется перемещение тела при равномерном прямолинейном движении?
  5. По графику движения тела (рис. 19) составить описание движения и записать уравнение движения этого тела.

Рис. 19. Иллюстрация к задаче

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/mehanikakinematika/grafiki-ravnomernogo-pryamolineynogo-dvizheniya

Biz-books
Добавить комментарий