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文档简介

第2节位移变化规律一、匀变速直线运动的位移与时间的关系1.位移在v­t图像中的表示:(1)匀速运动:如图所示,在匀速直线运动中,v­t图像与t轴所围矩形“面积”表示位移。(2)匀变速直线运动:①微元法推导:a.把物体的运动分成几个小段,如图甲,每段位移≈每段起始时刻速度×每段的时间=对应矩形面积。所以,整个过程的位移≈各个小矩形面积之和。b.把运动过程分为更多的小段,如图乙,各小矩形的面积之和可以更精确地表示物体在整个过程的位移。c.把整个过程分得非常非常细,如图丙,小矩形合在一起成了一个梯形,梯形的面积就代表物体在相应时间间隔内的位移。②结论:做匀变速直线运动的物体的位移对应着v­t图像中的图线与对应的时间轴所包围的梯形面积。2.位移公式的推导过程:二、匀变速直线运动的位移与速度的关系1.速度与位移的关系式:veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as。若v0=0,则veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))=2as。2.推导:由速度公式vt=v0+at、位移公式s=v0t+eq\f(1,2)at2,联立解得速度与位移的关系式为veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as。学习匀变速直线运动规律后,我们分析判断下列说法哪些是正确的。①确定公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as中的四个物理量的数值时,选取的参考系应该是统一的。②公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as适用于所有的直线运动。③匀变速直线运动的位移与时间的平方一定成正比。④初速度越大,做匀变速直线运动的物体的位移一定越大。⑤匀变速直线运动的位移与初速度、加速度、时间三个因素有关。⑥解题过程中通常取初速度的方向为正方向,对匀减速直线运动,公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as中的a必须取负值。⑦由公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as知,位移越大,物体的末速度一定越大。以上说法正确的有①⑤⑥。物体在做变速直线运动时,速度—时间图像如图所示。思考:在v­t图像中图线与时间轴围成的面积可不可以表示物体发生的位移?提示:可以表示。P44【迁移】我国道路交通安全法规定,机动车因故障在高速公路临时停车时,需在故障车来车方向150m以外设置警告标志。某司机从发现警告标志到汽车开始制动的反应时间为0.6s,在这0.6s的反应时间内,汽车做什么运动?提示:在反应时间内汽车做匀速直线运动。一、匀变速直线运动的位移与时间的关系——方程s=v0t+eq\f(1,2)at2的应用(科学思维—科学推理)如图所示,汽车由静止以加速度a1启动,行驶一段时间t1后,又以加速度a2刹车,经时间t2后停下来。(1)汽车加速过程及刹车过程中,加速度的方向相同吗?(2)根据位移公式求加速过程及减速过程中的位移时,速度及加速度的正、负号如何确定?提示:(1)汽车加速时加速度的方向与运动方向相同,减速时加速度方向与运动方向相反,因此两过程中加速度方向不同。(2)根据位移公式求位移时,一般取初速度方向为正方向,加速时,加速度取正值;减速时,加速度取负值。1.公式的适用条件:位移公式s=v0t+eq\f(1,2)at2只适用于匀变速直线运动。2.公式的矢量性:s=v0t+eq\f(1,2)at2为矢量公式,其中s、v0、a都是矢量,应用时必须选取正方向,一般选v0的方向为正方向。3.两种特殊形式:(1)当v0=0时,s=eq\f(1,2)at2,即由静止开始的匀加速直线运动,位移s与t2成正比。(2)当a=0时,s=v0t,即匀速直线运动的位移公式。【典例】(多选)一质点做匀加速直线运动,初速度v0=2m/s,4s内发生的位移为20m。下列说法正确的是()A.质点在4s末的速度为10m/sB.质点在2s末的速度为5m/sC.质点在4s内的平均速度为5m/sD.质点的加速度为3m/s2【解析】选B、C。根据位移—时间关系式s=v0t+eq\f(1,2)at2,代入数据得20m=2m/s×4s+eq\f(1,2)a×(4s)2,解得加速度a=1.5m/s2,故质点在2s末的速度为v2=v0+at2=2m/s+1.5m/s2×2s=5m/s,质点在4s末的速度为v4=v0+at4=2m/s+1.5m/s2×4s=8m/s,质点在4s内的平均速度为eq\x\to(v)=eq\f(s4,t4)=eq\f(20m,4s)=5m/s,选项A、D错误,B、C正确。1.(多选)由静止开始做匀加速直线运动的物体在第1s内的位移为4m。关于该物体的运动情况,以下说法正确的是()A.第1s内的平均速度为4m/sB.第1s末的瞬时速度为4m/sC.第2s内的位移为4mD.运动过程中的加速度为8m/s2【解析】选A、D。由直线运动的平均速度公式eq\x\to(v)=eq\f(s,t)知,第1s内的平均速度eq\x\to(v)=eq\f(s1,t1)=4m/s,选项A正确;由位移公式s=eq\f(1,2)at2得,加速度a=8m/s2,选项D正确;第1s末的瞬时速度v1=at1=8m/s,选项B错误;第2s内的位移s2=eq\f(1,2)ateq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2))-eq\f(1,2)ateq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))=12m,选项C错误。2.(多选)以v0=10m/s的速度匀速行驶的汽车突然刹车,刹车过程中汽车的加速度大小为2m/s2,则刹车()A.6s内的位移是24mB.6s内的位移是25mC.1s末的速度是6m/sD.3s末的速度是4m/s【解析】选B、D。汽车刹车过程的加速度a=-2m/s2,刹车所需时间t=eq\f(0-v0,a)=5s,所以刹车6s内的位移等于5s内的位移,为s=v0t+eq\f(1,2)at2=25m,1s末的速度为v1=10m/s-2m/s2×1s=8m/s,3s末的速度为v3=10m/s-2m/s2×3s=4m/s,选项A、C错误,选项B、D正确。【补偿训练】(多选)物体做初速度为零的匀加速直线运动,前2s内的位移是8m,则()A.物体的加速度是2m/s2B.物体的加速度是4m/s2C.物体前4s内的位移是32mD.物体前4s内的位移是16m【解析】选B、C。由x=eq\f(1,2)at2,代入t=2s、x=8m得a=4m/s2,故A错误,B正确;由x=eq\f(1,2)at2,代入t=4s、a=4m/s2,得物体前4s内的位移x=32m,故D错误,C正确。二、用v­t图像求位移(科学思维—模型建构)1.匀速直线运动的位移:(1)做匀速直线运动的物体在时间t内的位移s=vt。(2)做匀速直线运动的物体,其v­t图像是一条平行于时间轴的直线,其位移在数值上等于v­t图线与对应的时间轴所包围的矩形的面积。如图所示。2.匀变速直线运动的位移:(1)如图所示,图线与时间轴所围的梯形的面积就代表物体在时间t内的位移,梯形的上底为v0,下底为v,对应的时间为t,则有:s=eq\f(1,2)(v0+v)t。(2)因为t时刻的速度v=v0+at,所以位移与时间的关系为s=eq\f(1,2)(v0+v0+at)t=v0t+eq\f(1,2)at2。【典例】物体甲的位移—时间图像和物体乙的速度—时间图像分别如图甲、乙所示,则这两个物体的运动情况是()A. 甲在整个6s时间内来回运动,它通过的总位移为零B.甲在整个6s时间内来回运动,它通过的路程大于通过的总位移C.乙在整个6s时间内来回运动,它通过的总位移为零D.乙在整个6s时间内运动方向一直不变,它通过的总位移大小为4m【解析】选C。位移—时间图像中图线的斜率表示瞬时速度,可知甲在整个t=6s时间内一直沿正方向运动,总位移大小和总路程都为s=2m-(-2m)=4m,故A、B错误。速度—时间图像中,速度的正负表示速度的方向,即表示物体的运动方向,速度先负后正,说明物体乙先沿负方向运动,后沿正方向运动,即有来回运动,根据图线与时间轴围成的面积表示位移可知,图线在t轴上方则位移为正值,在t轴下方则位移为负值,可知总位移为0,故C正确,D错误。1.甲、乙两物体从同一点开始沿同一直线运动,甲的s­t图像和乙的v­t图像如图所示,下列说法中错误的是()A. 甲在3s末回到出发点,甲在运动过程中距出发点的最大距离为4mB.0~6s内甲、乙两物体位移都为零C.第3s内甲、乙两物体速度方向相同D.2~4s内甲的位移大小为8m【解析】选C。由甲的位移—时间图像可以看出:甲在3s末回到出发点,甲运动过程中,距出发点的最大距离为4m,故A正确;甲的图像是s­t图像,从图像中可以看出0~6s内甲的位移为零,乙的图像是v­t图像,由v­t图像中图线与时间轴所围的面积表示位移知,0~6s内乙的位移也为零,故B正确;甲在第3s内速度方向沿负方向,而乙在第3s内速度方向沿正方向,故C错误;2~4s内甲由+4m处运动到-4m处,所以位移大小是8m,故D正确。2.甲、乙两物体先后从同一地点出发,沿一条直线运动,它们的v­t图像如图所示,由图可知()A.甲比乙运动得快,且早出发,所以乙追不上甲B.t=20s时,乙追上甲C.在t=20s之前,甲比乙运动得快;在t=20s之后,乙比甲运动得快D.由于乙在t=10s时才开始运动,故t=10s时,甲在乙前面,它们之间的距离为乙追上甲前的最大距离【解析】选C。从图像可看出t=20s之前甲比乙运动得快,且甲早出发,但是乙做匀加速直线运动,最终是可以追上甲的,选项A错误;t=20s时,v­t图像中甲的图线与时间轴所围的面积大于乙的,即甲的位移大于乙的位移,所以乙没有追上甲,选项B错误;在t=20s之前,甲的速度大于乙的速度,在t=20s之后,乙的速度大于甲的速度,选项C正确;在乙追上甲之前,当它们速度相同时,它们之间的距离最大,对应的时刻为t=20s,选项D错误。【拔高题组】1.(多选)甲、乙两汽车在同一条平直公路上同向运动,其速度—时间图像分别如图中甲、乙两条曲线所示。已知两车在t2时刻并排行驶。下列说法正确的是()A.两车在t1时刻也并排行驶B.在t1时刻甲车在后,乙车在前C.甲车的加速度先增大后减小D.乙车的加速度先减小后增大【解析】选B、D。速度—时间图像与时间轴所围面积表示位移,在t1~t2时间内,甲车位移大于乙车位移,已知t2时刻两车并排行驶,因此在t1时刻甲车在后,乙车在前,选项A错误,B正确;速度—时间图像的斜率的绝对值表示加速度大小,根据图像可知,甲、乙的图线斜率的绝对值均先减小后增大,因此甲车、乙车的加速度均先减小后增大,选项C错误,D正确。2.质点做直线运动的速度—时间图像如图所示,该质点()A.在第1秒末速度方向发生了改变B.在第2秒末加速度方向发生了改变C.在前2秒内发生的位移为零D.第3秒末和第5秒末的位置相同【解析】选D。0~2s内速度都为正,因此第1s末的速度方向没有发生改变,A错误;图像的斜率表示加速度,1~3s内图像的斜率一定,加速度不变,因此第2s末加速度方向没有发生变化,B错误;前2s内的位移为图线与时间轴所围的面积,即位移x=eq\f(1,2)×2×2m=2m,C错误;第3s末和第5s末的位移都为x=eq\f(1,2)×1×2m=1m,因此这两个时刻质点处于同一位置,D正确。三、速度与位移的关系(科学思维—科学推理)一个小孩从滑梯上滑下可看作匀变速直线运动,下滑的加速度为a,请计算他滑到长为s的滑梯底端时速度为多大?能否不求时间而直接求解?匀变速直线运动的位移和速度有什么关系呢?提示:求小孩滑到底端的速度,可以利用位移—时间关系式s=v0t+eq\f(1,2)at2求得运动时间,再利用速度—时间关系式vt=v0+at求解速度;也可以不求时间而直接求解,即联立s=v0t+eq\f(1,2)at2和vt=v0+at,可得速度—位移关系式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as,利用vt=eq\r(veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))+2as)可以直接求解。1.适用条件:公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as表述的是匀变速直线运动的速度与位移的关系,适用于匀变速直线运动。2.意义:公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as反映了初速度v0、末速度vt、加速度a、位移s之间的关系,当其中三个物理量已知时,可求另一个未知量。3.公式的矢量性:公式中v0、vt、a、s都是矢量,应用时必须选取统一的正方向,一般选v0方向为正方向。(1)物体做加速运动时,a取正值,做减速运动时,a取负值。(2)s>0,说明物体通过的位移方向与初速度方向相同;s<0,说明位移的方向与初速度的方向相反。4.两种特殊形式:(1)当v0=0时,veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))=2as。(初速度为零的匀加速直线运动)(2)当vt=0时,-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as。(末速度为零的匀减速直线运动)【典例】一辆汽车由静止开始做匀变速直线运动,从开始运动到驶过第一个100m距离的过程中,速度增加了10m/s,则该汽车驶过第二个100m的过程中,速度的增加量是()A.14.1m/s B.10m/sC.4.1m/s D.20m/s【解析】选C。由速度—位移关系式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as得,veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))=2as1,veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))=2as2,又s1=s2,解得v2=eq\r(2)v1=10eq\r(2)m/s,第二个100m对应速度的增加量Δv2=v2-v1=4.1m/s,选项C正确。公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as的应用技巧(1)当物体做匀变速直线运动时,如果不涉及时间一般用速度位移公式较方便。(2)刹车问题由于末速度为零,应用此公式往往较方便。1.关于公式s=eq\f(veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)),2a),下列说法正确的是()A.此公式只适用于匀加速直线运动B.此公式适用于匀变速直线运动C.此公式只适用于位移为正的情况D.此公式不可能出现a、s同时为负值的情况【解析】选B。公式s=eq\f(veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)),2a)适用于匀变速直线运动,既适用于匀加速直线运动,也适用于匀减速直线运动,既适用于位移为正的情况,也适用于位移为负的情况,选项B正确,A、C错误;当物体做匀加速直线运动,且规定初速度的反方向为正方向时,a、s就会同时为负值,选项D错误。2.某种类型的飞机起飞滑行时,从静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为4.0m/s2,飞机速度达到85m/s时离开地面升空。假如在飞机达到起飞速度时,突然接到命令停止起飞,飞行员立即使飞机制动,飞机做匀减速直线运动,加速度大小为5.0m/s2。现要求你为该类型的飞机设计一条跑道,使在这种情况下飞机停止起飞且不滑出跑道,你设计的跑道至少要多长?(结果保留三位有效数字)【解析】飞机先做匀加速直线运动,后做匀减速直线运动,如图所示对匀加速直线运动,由速度—位移关系式得veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2a1s1,对减速制动阶段,由速度—位移关系式得veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))=2a2s2,其中v0=0,v1=85m/s,v2=0,a1=4.0m/s2,a2=-5.0m/s2,联立解得s1=903.125m,s2=722.5m,故s=s1+s2=1.63×103m。若要飞机不滑出跑道,则跑道长度至少应为1.63×103m。答案:1.63×10【拔高题组】1.将固定在水平地面上的斜面分为四等份,如图所示,AB=BC=CD=DE,在斜面的底端A点有一个小滑块以初速度v0沿斜面向上运动,刚好能到达斜面顶端E点。则小滑块向上运动经过D点时的速度大小是()A.eq\f(v0,5)B.eq\f(v0,4)C.eq\f(v0,3)D.eq\f(v0,2)【解析】选D。将末速度为零的匀减速直线运动看成初速度为零的匀加速直线运动,则veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))-0=2axEA、veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(D))-0=2axED,又xEA=4xED,解得:vD=eq\f(v0,2)。故D项正确,A、B、C项错误。2.有些航空母舰上装有帮助飞机起飞的弹射系统,已知某型号的飞机在甲板上加速时产生的最大加速度为5.0m/s2,当飞机的速度达到50m/s时,才能离开航空母舰起飞。设航空母舰处于静止状态。问:(1)若要求该飞机滑行160m后起飞,弹射系统必须使飞机具有多大的初速度?(2)若航空母舰上不装弹射系统,要求该飞机仍能在航空母舰上正常起飞,则该航空母舰甲板长至少应为多少?【解析】(1)根据公式v2-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2ax得:v0=eq\r(v2-2ax)=30m/s。(2)航空母舰不装弹射系统时,v2=2aL航空母舰甲板长至少应为L=eq\f(v2,2a)=250m。答案:(1)30m/s(2)250m情境创新题经典模型题【例1】我国道路交通安全法规定,机动车因故障在高速公路临时停车时,需在故障车来车方向150m以外设置警告标志。某司机驾驶汽车以120km/h的速度在高速公路上匀速行驶,发现前方警告标志时刹车使汽车减速至停止。该司机从发现警告标志到汽车开始制动的反应时间为0.6s,制动时的加速度大小为5m/s2。假设制动后,汽车做匀减速直线运动,那么从司机发现警告标志到汽车停下,行驶的距离是多少?请解释上述交通法规的必要性。【解析】以汽车运动的方向为正方向,则汽车匀速行驶的速度v0=120km/h=eq\f(100,3)m/s,在司机从发现警告标志到汽车开始制动的反应时间Δt=0.6s内汽车做匀速直线运动,行驶的位移s1=v0Δt=20m。汽车刹车的加速度a=-5m/s2,由s=eq\f(veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)),2a)可求出汽车从刹车到停止运动行驶的距离s2=eq\f(02-(\f(100,3)m/s2),2×(-5m/s2))≈111m。所以从司机发现警告标志到汽车停下,行驶的距离s=s1+s2=20m+111m=131m<150m,可见,在故障车来车方向150m以外设置警告标志是很有必要的。答案:131m解释见解析【例2】汽车从开始制动到停止所行驶的距离,是衡量汽车制动性能的参数之一。某型号的汽车以100km/h的速度在柏油路面上行驶,急刹车后做匀减速直线运动。若匀减速时的加速度大小为5m/s2,开始制动后2s内汽车行驶的距离是多少?从开始制动到完全停止,汽车行驶的距离是多少?【解析】选定初速度方向为正方向,由题意知v0=100km/h=27.8m/s,a=-5m/s2,vt=0,t=2s。根据速度公式vt=v0+at,可知汽车刹车时间t0=eq\f(vt-v0,a)=eq\f(0-27.8m/s,-5m/s2)=5.56s因为t<t0,所以汽车在刹车后2s内一直运动。根据位移公式,可得开始制动后2s内汽车的位移s1=v0t+eq\f(1,2)at2=27.8m/s×2s+eq\f(1,2)×(-5m/s2)×(2s)2=45.6m根据公式veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as,可得汽车从开始制动到完全停止的位移s2=eq\f(veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)),2a)=eq\f(0-(27.8m/s)2,2×(-5m/s2))=77.3m所以,开始制动后2s内汽车行驶的距离为45.6m;从开始制动到完全停止,汽车行驶的距离为77.3m。答案:45.6m77.3m【归纳总结】(1)模型:实际交通运行中的刹车问题(2)解题方法:公式法(3)应用规律:veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as【归纳总结】(1)模型:匀变速直线运动中的刹车问题(2)解题方法:公式法(3)应用规律:vt=v0+at;veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(t))-veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))=2as闪光频闪摄影法闪光频闪摄影又称连闪摄影,是借助于电子闪光灯的连续闪光,在一个画面上记录动体的连续运动过程。频闪摄影从器材上一般分为两类:一是利用自动频率电子闪光灯(简称电子频闪灯)拍摄;二是利用普通闪光灯组拍摄。由于拍摄的工具和方法不同,频闪照片的效果也各具特色。我们先来看电子频闪灯拍摄频闪照片的方法。电子频闪灯是一种新型的摄影照明灯具,当这种灯充足电后,可以像连发手枪一样,一次紧接一次地频繁闪光。高频电子频闪灯的闪光频率可以根据需要调节,闪光频率越高,底片曝光次数越多,在照片上出现的影像也越多。一般来说,这种灯每秒钟的闪光次数可达几十次甚至上百次。用电子频闪灯拍摄一个动体时,画面上可以留下几十个重叠、错落有致的影像。在拍摄时,首先要确定在画面上准备留下几个什么姿态的影像,影像与影像之间间隔多大距离,影像与影像之间是否要用虚影相连等,然后决定闪光灯的位置及数量。其次要选择一个深色的背景。通常在夜间拍摄,用低角度仰拍,以黑暗的天空为背景,或是找一间宽敞的房间,以保证被拍摄运动物体的影像不受干扰。另外,为了使画面整洁,主体突出,拍摄现场除了主要照明用的闪光灯外,其余光源最好关闭。若是拍摄人物动态,为了让人物搞清运动方向,可以在现场安置少量很暗的灯光,光源尽量靠近地面,与被拍摄动体成逆光照射角度。正式拍摄时,打开照相机的B门,用快门线将其锁定,使照相机的快门处于开启的状态,然后让动体开始运动,拍摄者用手操纵闪光灯,根据动体的不同运动姿态逐次闪光。需要拍三个影像,就用三只闪光灯先后三次闪光;需要拍摄六个影像,可以用三只闪光灯每只闪两次,也可以用六只闪光灯先后六次闪光。最好是找多个助手分别操作闪光灯,达成默契后,效果也是比较理想的。如果动体的运动速度比较绶慢,运动过程较长,那么可用单个普通闪光灯进行拍摄。这样的频闪方法是让闪光灯充足电,锁定照相机B门后,在动体开始运动的瞬间使闪光灯闪光,录下第一个影像;等进入下一个造型时,再闪光,录下第二个影像;这样,经过多次闪光后,在一张照片上就会留下多个不同姿态的动体形象。频闪摄影的曝光量应该如何掌握?提示:如果几个影像是互相分开的,曝光量就按通常单灯闪光计算。如果几个影像紧密相连,而

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