Почему при равномерном прямолинейном движении зависимость пути от времени является линейной кратко

Обновлено: 03.07.2024

Равномерное движение - движение вдоль прямой линии с постоянной (как по модулю, так и по направлению) скоростью. При равномерном движении пути, которые тело проходит за равные промежутки времени, также равны.

Для кинематического описания движения расположим ось OХ вдоль направления движения. Для определения перемещения тела при равномерном прямолинейном движении достаточно одной координаты Х. Проекции перемещения и скорости на координатную ось можно рассматривать, как алгебраические величины.

Пусть в момент времени t 1 тело находилось в точке с координатой x 1 , а в момент времени t 2 - в точке с координатой x 2 . Тогда проекция перемещения точки на ось OХ будет запишется в виде:

В зависимости от направления оси и направления движения тела эта величина может быть как положительной, так и отрицательной. При прямолинейном и равномерном движении модуль перемещения тела совпадает с пройденным путем. Скорость равномерного прямолинейного движения определяется по формуле:

v = ∆ s ∆ t = x 2 - x 1 t 2 - t 1

Если v > 0 , тело движется вдоль оси OX в положительном направлении. Иначе - в отрицательном.

Математическое описание равномерного прямолинейного движения

Закон движения тела при равномерном прямолинейном движении описывается линейным алгебраическим уравнением.

Уравнение движения тела при равномерном прямолинейном движении

x ( t ) = x 0 + v t

v = c o n s t ; x 0 - координата тела (точки) в момент времени t = 0 .

Пример графика равномерного движения - на рисунке ниже.

Здесь два графика, описывающих движение тел 1 и 2. Как видим, тело 1 во время t = 0 находилось в точке x = - 3 .

От точки x 1 до точки x 2 тело переместилось за две секунды. Перемещение тела составило три метра.

∆ t = t 2 - t 1 = 6 - 4 = 2 с

Зная это, можно найти скорость тела.

v = ∆ s ∆ t = 1 , 5 м с 2

Есть еще один способ определения скорости: из графика ее можно найти как отношение сторон BC и AC треугольника ABC.

v = ∆ s ∆ t = B C A C .

Причем, чем больше угол, который образует график с осью времени, тем больше скорость. Говорят также, что скорость равна тангенсу угла α .

Аналогично вычисления проводятся для второго случая движения. Рассмотрим теперь новый график, изображающий движение с помощью отрезков прямых. Это так называемый кусочно-линейный график.

Движение, изображенное на нем - неравномерное. Скорость тела меняется мгновенно в точках излома графика, а каждый отрезок пути до новой точки излома тело движется равномерно с новой скоростью.

Из графика мы видим, что скорость менялась в моменты времени t = 4 c , t = 7 с , t = 9 с . Значения скоростей также легко находятся из графика.

Отметим, что путь и перемещение не совпадают для движения, описываемого кусочно-линейным графиком. Например, в интервале времени от нуля до семи секунд тело прошло путь, равный 8 метрам. Перемещение тела при этом равно нулю.

Равномерное прямолинейное движение — это такое движение, при котором тело совершает за любые равные промежутки времени равные перемещения.

Скорость при прямолинейном равномерном движении

Если тело движется равномерно и прямолинейно, его скорость остается постоянной как по модулю, так и по направлению. Ускорение при этом равно нулю.

Векторный способ записи скорости при равномерном прямолинейном движении: s — вектор перемещения, ΔR— изменение радиус-вектора, t — время, а ∆t — его изменение. Проекция скорости на ось ОХ: s_x — проекция перемещения на ось ОХ, ∆x — изменение координаты точки (ее абсциссы). Знак модуля скорости зависит от направления вектора скорости и оси координат:

Основная единица измерения скорости — 1 метр в секунду. Сокращенно — 1 м/с.

1 км/ч (километр в час) = 1000 м/3600 с.
1 км/мин (километр в минуту) = 1000 м/60 с.
1 км/с (километр в секунду) = 1000 м/с.
1 м/мин (метр в минуту) = 1 м/60 с.
1 см/с (сантиметр в секунду) = 0,01 м/с.

Спидометр — прибор для измерения модули скорости тела.

График зависимости скорости от времени представляет собой прямую линию, перпендикулярную оси скорости и параллельную оси времени. Выглядит он так:

Если график скорости лежит выше оси времени, тело движется в направлении оси ОХ.
Если график скорости лежит ниже оси времени, тело движется против оси ОХ.
Если график скорости совпадает с осью времени, тело покоится.

Чтобы сравнить модули скоростей на графике, нужно оценить их удаленность от оси времени. Чем дальше график от оси, тем больше модуль.

Пример №1. Найти модуль скорости и направление движения тела относительно оси ОХ. Выразить скорость в км/ч.

График скорости пересекает ось в точке со значением 10. Единица измерения — м/с. Поэтому модуль скорости равен 10 м/с. График лежит выше оси времени. Это значит, что тело движется по направлению оси ОХ. Чтобы выразить скорость в км/ч, нужно перевести 10 м в километры и 1 с в часы:

Теперь нужно разделить километры на часы:

Перемещение и координаты тела при равномерном прямолинейном движении

Геометрический смысл перемещения заключается в том, что его модуль равен площади фигуры, ограниченной графиком скорости, осями скорости и времени, а также линией, проведенной перпендикулярно оси времени.

При прямолинейном равномерном движении эта фигура представляет собой прямоугольник. Поэтому модуль перемещения вычисляется по следующей формуле:

Вектор перемещения равен произведению вектора скорости на время движения: Внимание!

При равномерном прямолинейном движении путь и перемещение совпадают. Поэтому путь, пройденный телом, можно найти по этим же формулам.

Формула проекции перемещения:

График проекции перемещения

График проекции перемещения показывает зависимость этой проекции от времени. При прямолинейном равномерном движении он представляет собой луч, исходящий из начала координат. Выглядит он так:

Если луч лежит выше оси времени, тело движется в направлении оси ОХ.
Если луч лежит ниже оси времени, тело движется против оси ОХ.
Если луч совпадает с этой осью, тело покоится.

Чтобы по графику проекции перемещения сравнить модули скоростей, нужно сравнить углы их наклона к оси s_x.Чем меньше угол, тем больше модуль. Согласно рисунку выше, модули скорости тел, которым соответствуют графики 1 и 3, равны. Они превосходят модуль скорости тела 2, так как их угол наклона к оси s_x меньше.

График координаты

График координаты представляет собой график зависимости координаты от времени. Выглядит он так:

Так как график координаты представляет собой график линейной функции, уравнение координаты принимает вид :

Если с течением времени координата увеличивается (график идет снизу вверх), тело движется в направлении оси ОХ. На картинке выше этому соответствуют графики тел 1 и 2.
Если с течением времени координата уменьшается (график идет сверху вниз), тело движется противоположно направлению оси ОХ. На картинке выше этому соответствует график тела 3.
Если координата не изменяется, тело покоится.

Чтобы сравнить модули скоростей тел по графику координат, нужно сравнить углы наклона графика к оси координат. Чем меньше угол, тем больше модуль скорости. На картинке выше наибольший модуль скорости соответствует графику 1. У графиков 2 и 3 модули равны.

Чтобы по графику координат найти время встречи двух тел, нужно из точки пересечения их графиков провести перпендикуляр к оси времени.

Пример №2. График зависимости координаты тела от времени имеет вид:

Изучите график и на его основании выберите два верных утверждения:

На участке 1 скорость тела постоянна, а на участке 2 равна нулю.
Проекция ускорения тела на участке 1 положительна, а на участке 2 — отрицательна.
На участке 1 тело движется равномерно, а на участке 2 оно покоится.
На участке 1 тело движется равноускорено, а на участке 2 оно движется равномерно.
Проекция ускорения тела на участке 1 отрицательна, а на участке 2 — положительна.

На участке 1 координата растет, и ее график представляет собой прямую. Это значит, что на этом участке тело движется равномерно (с постоянной скоростью). На участке 2 координата с течением времени не меняется, что говорит о том, что тело покоится. Исходя из этого, верными утверждениями являются номера 1 и 3.

Пример №3. На рисунке изображен график движения автомобиля из пункта А (х=0 км) в пункт В (х=30 км). Чему равна минимальная скорость автомобиля на всем пути движения туда и обратно?

Согласно графику, с начала движения до прибытия автомобиля в пункт 2 прошло 0,5 часа. А с начала движения до возвращения в пункт А прошло 1,5 часа. Поэтому время, в течение которого тело возвращалось из пункта В в пункт А, равно:

Туда и обратно автомобиль проходил равные пути, каждый из которых равен 30 км. Поэтому скорость во время движения от А к В равна:

Скорость во время движения от В к А равна:

Минимальная скорость автомобиля на всем пути движения составляет 30 км/ч.

На рисунке представлены графики зависимости пройденного пути от времени для двух тел. Скорость второго тела v₂ больше скорости первого тела v₁ в n раз, где n равно…

Алгоритм решения

Выбрать любой временной интервал.
Выбрать для временного интервала начальные и конечные пути для каждого из графиков.
Записать формулу скорости и вычислить ее для 1 и 2 тела.
Найти n — отношение скорости второго тела к скорости первого тела

Решение

Рассмотрим графики во временном интервале от 0 до 4 с. Ему соответствуют следующие данные:

Для графика 1: начальный путь s₁₀ = 0 м. Конечный путь равен s₁ = 80 м.
Для графика 2: начальный путь s₂₀ = 0 м. Конечный путь равен s₂ = 120 м.

Скорость определяется формулой:

Так как начальный момент времени и скорость для обоих тел нулевые, формула примет вид:

Скорость первого тела:

Скорость второго тела:

Отношение скорости второго тела к скорости первого тела:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рисунке приведён график зависимости координаты тела от времени при прямолинейном движении тела по оси Ox.

Какой из графиков соответствует зависимости от времени для проекции υ _x скорости этого тела на ось Ox ?

Алгоритм решения

Записать уравнение координаты при равномерном прямолинейном движении.
Выразить из уравнения проекцию скорости.
Определить начальную и конечную координаты, а также время, в течение которого двигалось тело.
Вычислить проекцию скорости.
Выбрать соответствующий график.

Уравнение координаты при равномерном прямолинейном движении имеет вид :

Отсюда проекция скорости равна:

Начальная координата x_o = 10 м, конечная x = –10 м. Общее время, в течение которого двигалось тело, равно 40 с.

Вычисляем проекцию скорости:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18831 На рисунке представлен график зависимости модуля скорости υ автомобиля от времени t. Определите по графику путь, пройденный автомобилем в интервале времени от t 1 = 20 "> t ₁ = 20 с до t 2 = 50 "> t ₂ = 50 с.

Алгоритм решения

Охарактеризовать движение тела на различных участках графика.
Выделить участки движения, над которыми нужно работать по условию задачи.
Записать исходные данные.
Записать формулу определения искомой величины.
Произвести вычисления.

Решение

Весь график можно поделить на 3 участка:

От t₁ = 0 c до t₂ = 10 с. В это время тело двигалось равноускоренно (с положительным ускорением).
От t₁ = 10 c до t₂ = 30 с. В это время тело двигалось равномерно (с нулевым ускорением).
От t₁ = 30 c до t₂ = 50 с. В это время тело двигалось равнозамедленно (с отрицательным ускорением).

По условию задачи нужно найти путь, пройденный автомобилем в интервале времени от t₁ = 20 c до t₂ = 50 с. Этому времени соответствуют два участка:

От t₁ = 20 c до t₂ = 30 с — с равномерным движением.
От t₁ = 30 c до t₂ = 50 с — с равнозамедленным движением.

Для первого участка. Начальный момент времени t₁ = 20 c. Конечный момент времени t₂ = 30 с. Скорость (определяем по графику) — 10 м/с.
Для второго участка. Начальный момент времени t₁ = 30 c. Конечный момент времени t₂ = 50 с. Скорость определяем по графику. Начальная скорость — 10 м/с, конечная — 0 м/с.

Записываем формулу искомой величины:

s₁ — путь тела, пройденный на первом участке, s₂ — путь тела, пройденный на втором участке.

s₁и s₂ можно выразить через формулы пути для равномерного и равноускоренного движения соответственно:

Теперь рассчитаем пути s₁и s₂, а затем сложим их:

Движение материальной точки называют прямолинейным, если относительно избранной системы отсчета траекторией перемещения точки является прямая линия.

Движение материальной точки считают равномерным, если за равные промежутки времени точка совершает равные перемещения.

Допустим, что точка движется прямолинейно и равномерно по оси X. Тогда координата ($x$) точки является линейной функцией времени:

где $x_0$ - начальная координата точки, соответствующая началу наблюдения ($x=x_0(t=0)$); $v$ - скорость движения точки.

Скорость при равномерном прямолинейном движении равна отношению изменения координаты точки ($\Delta x=x-x_0$) к промежутку времени ($\Delta t$) изменения этой координаты:

Равномерное и прямолинейное движение характеризуется постоянством вектора скорости. Это означает, что скорость движения точки не изменяется ни по модулю, ни по направлению:

При прямолинейном движении путь ($s$) равен по величине изменению координаты:

Со скоростью путь прямолинейного движения связан как:

Графический способ описания равномерного прямолинейного движения

Самым наглядным способом описания движения является графический способ. График модуля скорости при прямолинейном движении изображает рис.1. Это прямая параллельная оси времени, так как мы знаем, что величина скорости при равномерном движении не изменяется. Площадь прямоугольника ABCD равна по величине изменения координаты движущейся точки за время ее движения.

При равномерном прямолинейном движении путь прямо пропорционален времени движения (5). Значит, графиком отображающим зависимость пути от времени является прямая, которая выходит из начала координат (рис.2) при $s_0\left(0\right)=0.\ $Следует иметь в виду, что путь не может быть меньше нуля и не может уменьшаться при движении. Для определения пути, которое прошла точка за установленный промежуток времени следует из точки на оси $t$, которая соответствует концу рассматриваемого временного промежутка, провести перпендикуляр до точки пересечения с графиком, за тем восстановить перпендикуляр из полученной на графике точки, на ось s.

При равномерном прямолинейном движении координата - это линейная функция времени (1), следовательно, график изменения координаты от времени - это прямая (рис.3).

Из графика на рис.3 мы видим, что в начальный момент времени координата точки равна $x_0\left(t=0\right)=$3м. В момент времени, равный трем секундам координата точки равна $x_1\left(t=3\right)=0\ м$ - это означает, что тело, в момент времени равный трем секундам от начала наблюдения, находилось в начале координат. В момент времени, равный четырем секундам, точка находилось на оси X в точке с координатой $x_2\left(t=4\right)=-1\ м.\ $Все время своего движения точка перемещалась против оси X. Скорость точки на протяжении всего ее движения равна:

Знак минус показывает, что скорость направлена против направления оси X, модуль скорости равен трем метрам в секунду. По графику зависимости координаты от времени можно найти положения точки до начала наблюдения, если движение частицы не изменялось. Моменты времени до начала наблюдений считают отрицательными. Так, судя по графику рис. 3 за одну секунду до начала наблюдений координата точки была равна 4 метрам.

Напомним, что для построения графиков, описывающих прямолинейное и равномерное движение достаточно знать координаты (или значения пути) для двух моментов времени.

Примеры задач с решением

Задание. Движение материальной точки задано двумя графиками пути от времени рис.4. Какой из графиков соответствует большей скорости движения тела?

Решение. Прямолинейное движение аналитически описывает функция:

где $v$= const. Чем больше модуль скорости, тем больший угол образует график $s\left(t\right)$ с осью времени. Следовательно, для графика 1 величина скорости движения больше.

Ответ. $v_2 Пример 2

Задание. Материальная точка движется равномерно и прямолинейно против оси Y. Скорость движения равна $v=1\ \frac$. Каким будет положение точки в момент времени равный $t=20$ c после начала отсчета времени, если начальная координата частицы $y_0=15\ $м? Каков путь, пройденный точкой?

Решение. 1) При движении вдоль оси Y с постоянной скоростью уравнение для координаты точки запишем в виде:

где знак минус означает, что точка движется против оси Y. Из условия задачи мы знаем, что $y_0=15\ $м, $v=1\ \frac$, $t=20$ c подставим заданные величины, вычислим координату:

\[y=15-1\cdot 20=-5\ \left(м\right).\]

2) При равномерном прямолинейном движении путь, пройденный телом, вычисляется как:

Равномерное движение – это движение с постоянной скоростью, то есть когда скорость не изменяется (v = const) и ускорения или замедления не происходит (а = 0).

Прямолинейное движение – это движение по прямой линии, то есть траектория прямолинейного движения – это прямая линия.

Равномерное прямолинейное движение – это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. Например, если мы разобьём какой-то временной интервал на отрезки по одной секунде, то при равномерном движении тело будет перемещаться на одинаковое расстояние за каждый из этих отрезков времени.

Скорость равномерного прямолинейного движения не зависит от времени и в каждой точке траектории направлена также, как и перемещение тела. То есть вектор перемещения совпадает по направлению с вектором скорости. При этом средняя скорость за любой промежуток времени равна мгновенной скорости: Скорость равномерного прямолинейного движения – это физическая векторная величина, равная отношению перемещения тела за любой промежуток времени к значению этого промежутка t:

Таким образом, скорость равномерного прямолинейного движения показывает, какое перемещение совершает материальная точка за единицу времени.

Перемещение при равномерном прямолинейном движении определяется формулой:

Пройденный путь при прямолинейном движении равен модулю перемещения. Если положительное направление оси ОХ совпадает с направлением движения, то проекция скорости на ось ОХ равна величине скорости и положительна: Проекция перемещения на ось ОХ равна: где x₀ – начальная координата тела, х – конечная координата тела (или координата тела в любой момент времени)

Уравнение движения, то есть зависимость координаты тела от времени х = х(t), принимает вид: Если положительное направление оси ОХ противоположно направлению движения тела, то проекция скорости тела на ось ОХ отрицательна, скорость меньше нуля (v

Рис. 1.11. Зависимость проекции скорости тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Проекция перемещения на координатную ось численно равна площади прямоугольника ОАВС (рис. 1.12), так как величина вектора перемещения равна произведению вектора скорости на время, за которое было совершено перемещение.

Рис. 1.12. Зависимость проекции перемещения тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

График зависимости перемещения от времени показан на рис. 1.13. Из графика видно, что проекция скорости равна где α – угол наклона графика к оси времени.

Чем больше угол α, тем быстрее движется тело, то есть тем больше его скорость (больший путь тело проходит за меньшее время). Тангенс угла наклона касательной к графику зависимости координаты от времени равен скорости:

Рис. 1.13. Зависимость проекции перемещения тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Зависимость координаты от времени показана на рис. 1.14. Из рисунка видно, что следовательно, скорость тела 1 выше скорости тела 2 (v₁ > v₂). Если тело покоится, то графиком координаты является прямая, параллельная оси времени, то есть

Рис. 1.14. Зависимость координаты тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Читайте также: