- 匀变速直线运动的研究
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一辆汽车正以v0=30m/s的速度在平直路面上行驶,驾驶员突然发现正前方约50m处有一个障碍物,立即以大小为8m/s2的加速度刹车.为了研究汽车经过2s是否撞上障碍物,甲、乙两位同学根据已知条件作出以下判断:
甲同学认为汽车已撞上障碍物,理由是:
在2s时间内汽车通过的位移x=v0t+at2=30×2+
×8×4=76m>50m
乙同学也认为汽车已撞上障碍物,理由是:
在2s时间内汽车通过的位移x==
=56.25m>50m
问:以上两位同学的判断是否正确?如果不正确,请指出错误的原因,并作出正确的解答.
正确答案
甲、乙都不正确,甲错误的原因把加速度a代入正值;乙错误的原因认为2s末车的速度为零.
正确解法:车停止时间为t′==
s=3.75s>2s
所以2s时间内汽车通过的位移:
x=v0t+at2=30×2-
×8×4=44m<50m
因此2s内车不会撞上障碍物
火车沿平直铁轨匀加速前进,当车头到达某一路标时,火车的速度为3m/s,1min后变成15m/s,又需经多少时间,火车的速度才能达到18m/s?
正确答案
根据加速度的定义式得
a==
m/s2=0.2m/s2,
t2==
s=15s.
答:需经15s时间,火车的速度才能达到18m/s.
一辆电动自行车,蓄电池一次充足电后可向电动机提供E0=1.5×106J的能量,电动机的额定输出功率为P=120w.已知电动车(含电池)的质量m=40kg,最大载重(即骑车人和所载货物的最大总质量)M=120kg.现有质量为m0=60kg的人骑此电动车在无风的平直公路行驶,所受阻力f是车辆总重力的0.03倍,设车电动机的效率是80%,则这辆车充足一次电后,
(1)不载货物时,在电力驱动下能行驶的最大路程是多少?
(2)不载货物时,在电力驱动下从静止开始以a=0.2m/s2加速度匀加速前进的最长时间是多少?
(3)当车承载最大载重,并以电动机的额定功率由静止启动,经3.5s车速达到v=1.5m/s,此时车的加速度多大?车驶过的路程多大?
正确答案
(1)空载时骑车行驶的最小牵引力:F1=f1=0.03(m+m0)g=30N
由功能关系有:F1S1=ηE0
得 S1==
=4×104m
(2)由牛顿第二定律知:F2-f1=(m+m0)a
得 F2=f1+(m0+m)a=30N+(60+40)×0.2=50N
匀加速运动的最大速度为 v1==
=2.4m/s
匀加速的运动时间为t==
s=1.2s
(3)当车承载最大载重时,设牵引力为F3,所受阻力为f2=0.03(m+m0+M)g=48N
则由牛顿第二定律知:F3-f2=(m+m0+M)a
又 F3==
=80N
联立以上三式得a=0.2m/s2.
根据动能定理得:
pt-f2s=(M+m)v2
解得,s=5m
答:
(1)不载货物时,在电力驱动下能行驶的最大路程是4×104m.
(2)不载货物时,在电力驱动下从静止开始以a=0.2m/s2加速度匀加速前进的最长时间是1.2s.
(3)当车承载最大载重,并以电动机的额定功率由静止启动,经3.5s车速达到v=1.5m/s,此时车的加速度是0.2m/s2.车驶过的路程是5m.
某高速公路边的交通警示牌有如图1所示的标记,其意义是指车辆的瞬时速度不得超过90km/h.若车辆驾驶员看到前车刹车后也相应刹车,反应时间是1s,假设车辆刹车的加速度相同,安全距离是两车不相碰所必须保持的距离的2倍,则车辆行驶在这条公路上的安全距离为多大?
甲同学这样车速v0==25m/s,末速vt=0.
作v-t图求解.从图2中可得两车所要保持的距离就是平行四边形abcd的面积,其面积恰等于矩形Oace的面积,即:Sabcd=25×1=25m,所以安全距离为50m.
而乙同学认为甲同学的分析不够全面,只分析了一种情况,乙同学认为安全距离应该大于50m.
你认为哪位同学的结果正确?为什么?请予以说明并有解答过程(也可在图3中作图并说明).
正确答案
甲同学的结论不正确,因为他只考虑了前后两辆车都以90km/h即25m/s的速度行驶的情况,即:v前=v后,其实还存在这样两种情况:
(1)v前=25m/s,v后<25m/s;(2)v前<25m/s,v后=25m/s.
显然(1)中v前=25m/s,v后<25m/s的情况下安全距离小于50m.
而(2)中v前<25m/s,v后=25m/s的情况下安全距离要大于50m,可从v-t图中可知:两车不相碰距离就是面积Scabed>25m,所以安全距离要大于50m.
答:乙同学分析分析正确,甲同学的结论不正确,因为他只考虑了前后两辆车都以90km/h即25m/s的速度行驶的情况.
如图所示,用F=10N的水平拉力,使物体由静止开始沿水平地面做匀加速直线运动.已知物体的质量m=2.0kg,物体与地面间的摩擦力4N,求:
(1)物体在t=2.0s时速度v大小.
(2)物体在前2秒内的位移.
正确答案
根据牛顿第二定律得,a==
m/s2=3m/s2.
则2s末的速度v=at=3×2m/s=6m/s.
前2s内的位移x=at2=
×3×4m=6m.
答:(1)物体在t=2.0s时速度v大小为6m/s.
(2)物体在前2秒内的位移为6m.
物体做匀变速直线运动,第2s内的平均速度为7m/s,第3s的平均速度为5m/s,物体运动的加速度大小为______m/s2,其方向与初速度的方向______;(填“相同”或“相反”)
正确答案
第2s内的平均速度为7m/s,知1.5s末的瞬时速度为7m/s,第3s的平均速度为5m/s,知2.5s末的瞬时速度为5m/s,根据a==
m/s2=-2m/s2,方向与初速度方向相反.
故本题答案为:2,相反.
一辆汽车在十字路口等候绿灯,当绿灯亮时汽车以3m/s2的加速度开始行驶,恰在这时一辆自行车以6m/s的速度匀速驶来,从后边赶过汽车,则汽车在追上自行车之前两车相距最远距离是______m,追上自行车时汽车的速度是______m/s.
正确答案
当两车速度相等时,相距最远.
有:v自=at,解得t=2s.
此时自行车的位移x1=v自t=12m.
汽车的位移x2=at2=
×3×4m=6m.
则最大距离△x=x1-x2=6m.
汽车追上自行车时有:v自t′=at′2,即6t′=
×3×t′2,
解得t′=4s
则汽车的速度v=at′=12m/s.
故答案为:6,12.
一辆轿车以速度υ0沿直线行驶,突然发现正前方一辆货车正以υ1的速度同向行驶,两车相距S,且υ1<υ0,轿车司机立即刹车,则轿车刹车的加速度大小至少应多大,才能避免与货车相撞?
正确答案
(1)设经时间t客车速度与货车相等,轿车刹车的加速度大小为a,
则:由υ1=V0-at,
解得t=
此时,轿车的位移为s0,有:2(-a)s0=v12-v02
货车的位移为s1,有:s1=υ1t
由s0=s1+s
得:a=
答:轿车刹车的加速度大小至少为,才能避免与货车相撞.
在正常情况下,某列火车开过一个小站不停.现因需要,必须在这一小站停留,开始时火车以20m/s的速度匀速行使,火车将要到达小站时,以-1.0m/s2的加速度作匀减速运动,停留2min后,又以0.5m/s2的加速度开出小站,一直到恢复原来的速度.
求:(1)火车刹车的时间是多少?火车加速的时间是多少?
(2)列车因停靠小站而延误的时间是多少?
正确答案
(1)根据加速度的定义式a=
火车刹车的时间t1==
=20s
火车加速的时间t2==
=40s
(2)火车停靠站用的总时间t=t1+t停+t2=20s+120s+40s=180s
如果火车不停则做匀速直线运动,经过这段位移所用的时间t0=
匀变速直线运动的平均速度=
,(或由υt2+υ02=2ax可知)
则x1=t1=
t1=
=200m,(或x1=
=
m=200m)
同理x2=t2=
t2=
=400m(或x2=
=
m=400m)
经过这段位移所用的时间t0==30s
因此火车延误的时间△t=t-t0=150s
答:(1)火车刹车的时间是20s;火车加速的时间是40s;(2)列车因停靠小站而延误的时间是150s
世界短跑名将博尔特百米的最大速度可达到12m/s,他的百米运动可简化为以某一加速度匀加速运动达到最大速度后,以最大速度匀速跑完全程,如果某次训练中要求博尔特百米成绩在10秒以内,求他匀加速运动的加速度至少为多大?
正确答案
设博尔特加速的时间为t,加速度至少为a,最大速度为v,
则有 t+v(10-t)=100
解得,t=s
由v=at得
解得a=3.6 m/s2答:他匀加速运动的加速度至少是3.6 m/s2.
甲、乙两车做同向直线运动,初始相距S0=10m.已知甲车在前以速度v=4m/s作匀速直线运动,乙车以初速度vo=16m/s开始作匀减速运动,加速度大小为a=4m/s2.试分析:两车相遇几次?何时相遇?
正确答案
设二者经时间t相遇,则V0t-×at2=Vt+S0
代数字解得:t1=1s; t2=5s
因为汽车匀减速到零的时间t0==
s=4s.所以t2大于乙车刹车时间,舍去.
1s末乙车的速度为V1=V0-at1=12m/s,它以此速度超过甲车并继续做匀减速直线运动至停止后被甲车追上.乙车在这一阶段发生的位移为:
S1==18(m)
甲车追上乙车所需要的时间为:t′==4.5(s)
故第二次相遇的时刻为:
t2=t1+t′=5.5(s)
即二者共相遇两次,相遇时间分别为t1=1s;t2=5.5s.
答:两车相遇两次,相遇的时间分别为1s、5.5s.
如图所示的水平传送带以速度v=2m/s匀速运动,传送带把一煤块从A运送到B,A、B相距L=10m,若煤块在A处是由静止放在皮带上,经过6s可以到达B处,求:
(1)煤块在A、B间运动的加速度.
(2煤块在皮带上留下的痕迹的长度.
(3)若改变传送带的速度为另一数值,则到达B的时间亦改变,求煤块以最短时间到达B时传送带的最小速度.
正确答案
(1)煤块从A处无初速度放在传送带上以后,将在摩擦力作用下做匀加速运动,若一直做匀加速直线运动,整个过程的平均速度小于等于,因为
>
,这表明煤块从A到B先做匀加速运动,后做匀速运动.
设煤块做匀加速运动的加速度为a,加速的时间为t1,相对地面通过的位移为x,则有
v=at1,x=,x+v(t-t1)=L.
数值代入得a=1 m/s2.
(2)当煤块的速度达到2m/s时,煤块的位移x1==
m=2m.煤块运行的时间t=
=
s=2s.
此时传送带的位移x2=vt=2×2m=4m.
则煤块相对于传送带的位移△x=x2-x1=2m.
所以痕迹的长度为2m.
(3)要使煤块从A到B得时间最短,须使它始终做匀加速直线运动,至B点时速度为运送时间最短所对应的皮带运行的最小速度.
由v2=2aL,得v==2
m/s.
故煤块以最短时间到达B时传送带的最小速度为2m/s.
体育课上进行爬杆活动,使用了一根质量忽略不计的长杆,长杆竖直固定在地面上,一个质量为40kg的同学(可视为质点)爬上杆的顶端后,自杆顶由静止开始匀加速紧接着又匀减速滑下,滑到杆底时的速度恰好为零.测得杆对地的最大压力为460N,最小压力为280N,人下滑的总时间为3s.求该同学下滑过程中的最大速度及杆长.
正确答案
设加速下滑时的加速度为a1,运动时间为t1,
则有mg-280=ma1
υm=a1t1
减速下滑时的加速度大小为a2,运动时间为t2,
则有460-mg=ma2
υm=a2t2=a2(3-t1)
设杆长为l,则有l=×t
解得:υm=3m/s
l=4.5m
答:该同学下滑过程中的最大速度3m/s及杆长4.5m.
一电梯启动时匀加速上升,加速度为1.2m/s2,制动后匀减速上升,加速度为-1m/s2,电梯上升的最大速度为6m/s,则电梯启动后加速的时间不超过______s;电梯到达51m顶层的最短时间为______ s.
正确答案
电梯经历先加速、后匀速、再减速的运动过程.
设加速时加速度a1,时间t1;减速加速度a3,时间t3,最大速度为v,则匀速时的速度为最大速度v,这样时间才能最短.
匀加速运动的时间t1==
s=5s,
匀减速运动的时间t3==
s=6s
匀加速运动的位移x1=t1=
t1=
×5m=15m
匀速运动的位移x2=vt2=6t2
匀减速运动的位移x3=t3=
t3=
×6m=18m
总位移x=x1+x2+x3
代入数据51=15+6t2+18
解得t2=3s
所以总时间即最短时间为t=t1+t2+t3=5s+3s+6s=14s.
故答案为:5,14.
一架飞机沿水平直线飞行进行投弹训练,当它飞经观察点正上方时投放一颗炸弹,经时间t炸弹落在距观察点正前方L1处,与此同时飞机投放出第二颗炸弹,落地点距观察点正前方L2处.空气阻力不计.
某同学认为,如果飞机作匀速直线运动,飞机的速度应该为L1/t,并且L2=2L1;如果飞机是作匀加速直线运动,则加速度应该为a=2L1/t2.
请你判断该同学的认识是否正确,如有错误,请分析指出并写出正确解答.
正确答案
某同学对飞机作匀速直线运动的分析正确
但对飞机作匀加速直线运动分析错误
分析:①飞机经观察点正上方时有水平初速度,而该同学没有意识到初速度的因素,运用了初速为零的规律.
②L1是炸弹的水平位移而不是飞机的水平位移,该同学将其混淆了.
正确解答,运动的位移关系如图所示:
设飞机第一次投弹时的速度为v1,第二次投弹时的速度为v2,则有
第一次炸弹的水平位移L1=v1t,
第二次炸弹的水平位移 L2-t=v2t,
对于飞机做匀加速运动,根据速度公式有 v2=v1+at,
联立以上三式,
解得飞机的加速度为a=.
答:分析解答过程如上所述.
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