1. Рівняння руху
2. Робота з графіками
3. Шляхи, які проходить тіло за послідовні рівні проміжки часу
4. Задачі, в умові яких не дано часу руху
5. Середня швидкість під час прямолінійного рівноприскореного руху
1. РІВНЯННЯ РУХУ
Нагадаємо, що за умови прямолінійного рівноприскореного руху вздовж осі x залежність координати x від часу виражається формулою
РОЗВ'ЯЖІМО ЗАДАЧУ
Рівняння руху тіл, що рухаються вздовж осі х, мають вигляд (усі величини задано в одиницях SI):
Які з цих тіл рухаються рівноприскорено? Чому дорівнюють при цьому проекція початкової швидкості v0x і проекція прискорення ax? У яких випадках на початку руху тіло рухається в додатному напрямі осі х? У яких випадках швидкість тіла на початку руху збільшується за модулем?
Розв’язання. За умови рівноприскореного руху згідно з формулою залежності координати від часу рух є рівноприскоре-ним тільки у випадках а, в і г. Порівнюючи формули а, в і г
із рівнянням
одержуємо для цих випадків:
Напрям руху визначається знаком проекції швидкості: якщо вона додатна, тіло рухається в додатному напрямі осі х.
На початку руху напрям руху визначається знаком проекції початкової швидкості. Ця проекція додатна у випадках а і б. Швидкість тіла під час рівноприскореного руху збільшується за модулем, якщо проекція прискорення має той самий знак, що і проекція швидкості, і зменшується, якщо ці проекції мають протилежні знаки. Таким чином, на початку руху швидкість збільшується за модулем тільки у випадку г. При цьому тіло рухається у від’ємному напрямі осі х. У випадках же а і в швидкість тіла на початку руху зменшується за модулем.
2. РОБОТА З ГРАФІКАМИ
РОЗВ'ЯЖІМО ЗАДАЧУ
На рис. 4.1 наведено графік vx(t) для тіла, що рухається вздовж осі х. Побудуйте графіки ax(t), sx(t), x(t) і l(t), вважаючи, що початкова координата тіла х0 = 2 м.
Розв’язання. Тіло рухається рівноприскорено, оскільки графік vx(t) — відрізок прямої. Отже, vx(t) = v0x + axt. Проекція початкової швидкості v0x = vx (0) = 4 м/с. У момент t = 2 с проекція швидкості дорівнює нулю: vx(2) = 4 + ax ■ 2 = 0. Звідси a = -2 м/с2.
x
Оскільки прискорення є постійним, графіком ax(t) є відрізок прямої, паралельної осі t (рис. 4.2).
Проекція переміщення під час рівно-прискореного руху описується формулою
Підставляючи у цю формулу знайдені значення
Отже, графіком sx(t) є парабола, що проходить через початок координат (рис. 4.3). Вершина цієї параболи знаходиться при t = 2 с (sx = 4 м).
Графік x(t) відрізняється від графіка sx (t) тільки зсувом на x0= 2 м по осі ординат (рис. 4.4).
При побудові графіка залежності шляху від часу I (t) врахуємо, що шлях не може убувати з часом (рис. 4.5).
3. ШЛЯХИ, ЯКІ ПРОХОДИТЬ ТІЛО
ЗА ПОСЛІДОВНІ РІВНІ ПРОМІЖКИ ЧАСУ
Основні властивості прямолінійного рівноприскореного руху визначив Ґалілей. Наприклад, він установив таку чудову властивість:
за умови прямолінійного рівноприскореного руху без початкової швидкості шляхи, які проходить тіло за послідовні рівні проміжки часу, відносяться як послідовні непарні числа (1:3:5:7...).
Цю властивість прямолінійного рівноприскореного руху схематично проілюстровано на рисунку 4.6.
Доведемо її для трьох перших послідовних проміжків часу (якщо бажаєте, продовжіть доведення самостійно).
Скористаємося тим, що шлях чисельно дорівнює площі фігури під графіком залежності модуля швидкості від часу. На рисунку 4.7, а шляхи, пройдені за кожний із трьох перших послідовних рівних проміжків часу (для визначеності ми взяли по 1 с кожний), чисельно дорівнюють площам жов-
тої, зеленої та синьої фігур. Розіб’ємо всі фігури, крім першої, на трикутники, площа кожного з яких дорівнює площі першої фігури (рис. 4.7, б). Ця розбивка наочно показує, що шляхи, які проходить тіло за три перші послідовні рівні проміжки часу, відносяться як 1:3:5.
4. ЗАДАЧІ, В УМОВІ ЯКИХ НЕ ДАНО ЧАСУ РУХУ
У деяких задачах потрібно знайти пройдений тілом шлях за умови, що час руху невідомий, але відомі прискорення та початкова чи кінцева швидкість тіла.
Якщо початкова швидкість дорівнює нулю, час руху можна виразити через модуль кінцевої швидкості та прискорення:
Підставляючи цей вираз у формулу для шляху
отри-
маємо
З цієї формули випливає, зокрема, що за умови вільного падіння висота h, з якої падає тіло, та його кінцева швидкість пов’язані співвідношенням
Це співвідношення дозволяє визначити кінцеву швидкість тіла під час падіння із заданої висоти:
Якщо тіло має початкову швидкість v0 і швидкість тіла зменшується, рух тіла до його зупинки триває протягом
часу, що дорівнює
Відстань, пройдену тілом до зупинки,
знаходимо з формули
підставивши в неї замість
t час руху тіла до зупинки, тобто
Ми отримаємо, що до
повної зупинки тіло пройде шлях
Зверніть увагу: цей шлях (для засобів транспорту його називають гальмівним шляхом) пропорційний квадрату початкової швидкості!
РОЗВ'ЯЖІМО ЗАДАЧУ
Під час гальмування на сухому асфальті автомобіль рухається з прискоренням, що дорівнює за модулем
Чому дорівнює гальмівний шлях автомобіля, якщо
він їде зі швидкістю
Яким буде його гальмівний
шлях у разі ожеледі, коли модуль прискорення
Відповідь: 40 м; 100 м.
Зверніть увагу: гальмуючи в умовах ожеледі, автомобіль проїжджає відстань у 2,5 раза більшу, ніж під час гальмування на сухому асфальті!
5. СЕРЕДНЯ ШВИДКІСТЬ ПІД ЧАС
ПРЯМОЛІНІЙНОГО РІВНОПРИСКОРЕНОГО РУХУ
Доведемо, що
під час прямолінійного рівноприскореного руху без початкової швидкості середня швидкість тіла дорівнює половині кінцевої швидкості.
Під час прямолінійного рівноприскореного руху без початкової швидкості шлях
а кінцева швидкість v = at. Тому
вираз для шляху можна записати у вигляді
Згадаймо
тепер, що за умови прямолінійного руху в одному напрямі модуль середньої швидкості
Порівнюючи дві останні
формули, отримуємо
Доведення закінчено.
Пропонуємо вам самим довести, що
під час прямолінійного рівноприскореного руху, коли кінцева швидкість дорівнює нулю, середня швидкість тіла дорівнює половині його початкової швидкості.
Ці властивості середньої швидкості прямолінійного рівноприскореного руху дозволяють значно спростити розв’язання деяких задач. Розглянемо приклад.
РОЗВ'ЯЖІМО ЗАДАЧУ
Автомобіль почав гальмувати, коли його швидкість дорівнювала
Скільки часу тривало гальмуван
ня до зупинки, якщо гальмівний шлях 200 м?
Перевіримо одиниці величин:
Підставимо числові значення й отримаємо
Відповідь: 20 с.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Напишіть рівняння залежності шляху, пройденого тілом, від часу, якщо тіло рухається зі стану спокою рівноприскорено з прискоренням
2. Тіло рухалося прямолінійно рівноприскорено без початкової швидкості. Прискорення тіла
Який шлях тіло пройшло за 1 с?
за 2 с? за другу секунду?
3. Рухаючись прямолінійно рівноприскорено без початкової швидкості, тіло пройшло за першу секунду 3 м. Який шлях пройде це тіло за 2 с? за 3 с?
4. З якої висоти вільно падало тіло, якщо падіння тривало 2 с?
5. Яка кінцева швидкість тіла під час падіння з висоти 20 м?
6. Автомобіль рушив з місця і рухався з прискоренням
Чому до
рівнює швидкість автомобіля через 2 с? Який шлях пройде автомобіль за вказаний час?
7. Чому дорівнює гальмівний шлях автомобіля, якщо його початкова швидкість
а модуль прискорення під час гальмування
8. Автомобіль рухався зі швидкістю
У деякий момент він почав
розганятися з прискоренням
Який шлях він проїхав за 3 с розгону?
Другий рівень
9. На рис. 4.8 зображено графік залежності модуля швидкості від часу для автомобіля, що їхав в одному напрямі. Чому дорівнює шлях, пройдений за 2 год? за 4 год? за 6 год?
10. Два тіла почали рух одночасно. Перше тіло рухається прямолінійно рівномірно, а друге — прямолінійно рівноприскорено. За першу секунду руху обидва тіла пройшли однаковий шлях. Яке тіло пройде більший шлях за 2 секунди? У скільки разів більший?
11. Два тіла рухаються прямолінійно, причому залежність координати від часу для них описується формулами: x1 = 16 - 18t + 3t2, x2 = -20 + 15t - 2,5t2. Опишіть рух кожного з тіл, побудуйте для них графіки vx(t).
12. Тіло кинуте вертикально вгору зі швидкістю
На яку висоту
воно підніметься?
13. Кулька скочується похилою площиною завдовжки 90 см за 3 с. Яку відстань проходить кулька за кожну секунду?
14. Доведіть, що під час прямолінійного рівноприскореного руху в одному напрямі середня швидкість тіла дорівнює півсумі початкової та кінцевої швидкостей.
15. Санчата скотилися схилом гори завдовжки 48 м за 16 с. Яка швидкість санчат у кінці спуску? Рух санчат можна вважати рівноприско-реним з початковою швидкістю, що дорівнює нулю.
16. Автомобіль рухається рівноприскорено. Початкова швидкість
Автомобіль проїхав при цьому
1 км. Скільки часу він їхав по цій ділянці?
17. Автомобіль гальмував протягом 5 с. При цьому швидкість автомобіля зменшилася з 30 до
Який шлях проїхав автомобіль за час
гальмування?
18. Виведіть формулу
де позначення фізичних величин
відповідають позначенням у тексті параграфа.
19. Куля, яка вилетіла з рушниці, пробила піщаний вал. При цьому
швидкість кулі зменшилася з 500 до
Рух кулі всередині валу
можна вважати рівноприскореним. З яким прискоренням рухалася куля всередині валу, якщо його товщина 1 м? Скільки часу рухалася куля всередині валу?
20. Поїзд почав гальмувати при швидкості 72 км/год. Яка його швидкість після проходження половини гальмівного шляху?
21. Складіть задачу за темою «Шлях за умови прямолінійного рівно-прискореного руху», відповіддю якої було б «125 м».
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев