怎样用电脑画定性和定量的v-t和x-t图象
——以2019年高考全国2卷理综第25题为例
内容提要:物理中的运动图象通常是速度-时间(v-t图象)和位移-时间图象(x-t图象),用电脑画这两种图象,是物理教师的重要课题,本文谈谈怎样用电脑画定性和定量的v-t和x-t图象。所谓定性的图象,是画出图象的大体趋势,不要求具体数据,所以电脑通常用“画图”软件来画;所谓定量的图象,要求有具体数据,能从图象中读出什么时刻,速度是多少(v-t图象)并且能够用斜率法求加速度和用“面积法”求位移,或者位移是多少(x-t图象)。所以定量的图象通常用电脑Excel作图功能来作图。
关键词:电脑,画图,Excel,v-t图象,x-t图象
例题(2019年高考全国2卷理综第25题):一质量为m=2000 kg的汽车以某一速度在平直公路上匀速行驶。行驶过程中,司机忽然发现前方100 m处有一警示牌。立即刹车。刹车过程中,汽车所受阻力大小随时间变化可简化为图(a)中的图线。图(a)中,0~t1时间段为从司机发现警示牌到采取措施的反应时间(这段时间内汽车所受阻力已忽略,汽车仍保持匀速行驶),
t1=0.8 s;t1~t2时间段为刹车系统的启动时间,t2=1.3 s;从t2时刻开始汽车的刹车系统稳定工作,直至汽车停止,已知从t2时刻开始,汽车第1 s内的位移为24 m,第4 s内的位移为1 m。
(1)在图(b)中定性画出从司机发现警示牌到刹车系统稳定工作后汽车运动的v-t图线;
(2)求t2时刻汽车的速度大小及此后的加速度大小;
(3)求刹车前汽车匀速行驶时的速度大小及t1~t2时间内汽车克服阻力做的功;司机发现警示牌到汽车停止,汽车行驶的距离约为多少(以t1~t2时间段始末速度的算术平均值替代这段时间内汽车的平均速度)?
25.解:(1)v-t图像如图所示。
这是定性的v-t图像,可以在电脑中的“画图”软件画出,方法步骤如下:
在电脑“桌面”双击“画图”图标,出现“画图”的画面
将题图的图b复制到“画图”中,如下图:
用“直线”画图画出t=0到t=t1(0.8s)的平行于t轴的直线(匀速运动),如下图:
用“曲线”画图画出t=t1到t=t2(1.3s)的下凹的曲线(加速度逐渐增大的加速运动),如下图:
用“直线”画图画出从t=t2到速度为0的倾斜的直线(匀减速运动),如下图:
把以上图象复制或剪贴到题目中。
(2)设刹车前汽车匀速行驶时的速度大小为v1,则t1时刻的速度也为v1t2时刻的速度为v2,在t2时刻后汽车做匀减速运动,设其加速度大小为a,取Δt=1s,设汽车在t2+n-1Δt内的位移为sn,n=1,2,3,…。
若汽车在t2+3Δt~t2+4Δt时间内未停止,设它在t2+3Δt时刻的速度为v3,在t2+4Δt时刻的速度为v4,由运动学有
代入数据得24=v2-a/2
联立①②③式,代入已知数据解得
这说明在t2+4Δt时刻前,汽车已经停止。因此,式不成立。
由于在t2+3Δt~t2+4Δt内汽车停止,由运动学公式
联立②⑤⑥,代入已知数据解得解得
v2=28 m/s
或者电脑教学v2=29.76 m/s 
(3)设汽车的刹车系统稳定工作时,汽车所受阻力的大小为f1,由牛顿定律有
f1=ma 
t1~t2时间内,阻力对汽车冲量的大小为
 
由动量定理有
I’=mv1-mv2   
由动量定理,在t1~t2时间内,汽车克服阻力做的功为
 
联立⑦⑨⑩式,代入已知数据解得
v1=30 m/s
从司机发现警示牌到汽车停止,汽车行驶的距离s约为
联立,代入已知数据解得