- 匀变速直线运动的研究
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2011年7月23日晚,甬温线永嘉站至温州南站间,北京南至福州D301次列车与杭州至福州南D3115次列车发生追尾事故,造成动车组运行以来的特重大铁路交通事故。事故发生前D3115次动车组正以20km/h的目视行车速度在发生事故的铁路上匀速行驶,而D301次动车组驶离永嘉站后,2分钟车速达到216km/h,便开始匀速行驶。不幸的是几分钟后就发生了追尾事故。
(1)如果认为D301次动车组以恒定加速度从静止驶离永嘉车站,求D301的启动加速度和加速距离分别是多少?
(2)已知动车组紧急制动的加速度为3m/s2,D301正常行驶后,为了避免事故发生,应至少距离D3115多远开始刹车才有可能避免事故发生?(20km/h≈5.6m/s)
正确答案
解:(1)由于D301次动车组2分钟车速达到216km/h,所以得:
m/s2
km
(2)要想满足二车恰好不撞,则必须至少满足,D301追上D3115时二车速度相同,所以
,t=18.1s
二车之间的位移关系为:
则m
如图所示,质量M=20kg的物体从光滑曲面上高度H=0.8m处由静止释放,到达曲面底端时以水平方向的速度进入水平传送带.传送带由一电动机驱动,传送带的上表面匀速向左运动,运动速率为3.0m/s.已知物体与传送带间的动摩擦因数μ=0.10.(g取10m/s2)
(1)物体滑上传送带时的速度为多大?
(2)若两皮带轮之间的距离是6.0m,物体滑上传送带后立刻移走光滑曲面,物体将从哪一边离开传送带?通过计算说明你的结论.
(3)若皮带轮间的距离足够大,从M滑上到离开传送带的整个过程中,由于M和传送带间的摩擦而产生了多少热量?
正确答案
(1)物体沿曲面下滑的过程中机械能守恒,mgH=m
解得物体滑到底端时的速度v0==μg=4.0 m/s
(2)以地面为参照系,物体滑上传送带后向右做匀减速运动直到速度为零,物体的加速度大小为:
a==μg=1.0m/s2
物体从滑上传送带到相对地面速度减小到零,向右的位移
S1==8.0 m>6.0 m,表明物体将从右边离开传送带.
(3)以地面为参考系,若两皮带轮间的距离足够大,则物体滑上传送带后向右做匀减速运动直到速度为零,后向左做匀加速运动,直到速度与传送带速度v相等后与传送带相对静止,从传送带左端掉下,其间物体的加速度大小和方向都不变,加速度大小
a==μg=1.0m/s2
取向右为正方向,从物体滑上传送带到与传送带相对静止的过程中,物体发生的位移
S1==3.5 m
物体运动的时间为
t==7.0 s
这段时间内皮带向左运动的位移S2=vt=21m
物体相对于传送带滑行的距离△S=S1+S2=24.5 m
物体与传送带相对滑动期间产生的热量
Q=Ff•△S=μMg•△S=490 J
答:(1)物体滑上传送带时的速度为4.0m/s;
(2)若两皮带轮之间的距离是6.0m,物体滑上传送带后立刻移走光滑曲面,物体将从右侧离开传送带;
(3)若皮带轮间的距离足够大,从M滑上到离开传送带的整个过程中,由于M和传送带间的摩擦而产生了490 J的热量.
在抗洪救灾中,一架直升机需要向某地空投物资.为了不损坏物资,在每箱物资上都安装了降落伞.当直升机到达某地上空时,悬停在某一高度后从静止释放了一箱物资.这箱物资先做自由落体运动,当下落5秒时自动打开降落伞,伞张开后就以15m/s2的加速度做匀减速运动,到达地面时速度为5m/s,问:
(1)这箱物资离开直升机后做自由落体下降的距离为多少?
(2)这箱物资离开直升机时距地面的高度为多少?
(3)离开直升机后,经过多少时间才能到达地面?(g=10m/s2)
正确答案
(1)根据h=gt2得,h=
×10×25m=125m.
(2)匀减速直线运动的初速度v1=gt1=10×5m/s=50m/s
匀减速直线运动的位移h2==
m=82.5m
则下落的高度H=h+h2=207.5m.
(3)匀减速直线运动的时间t2==
s=3s
则t=t1+t2=8s.
答:(1)这箱物资离开直升机后做自由落体下降的距离为125m.
(2)这箱物资离开直升机时距地面的高度为207.5m.
(3)离开直升机后,经过8s才能到达地面.
一小汽车从静止开始以3 m/s2的加速度行驶,恰有一自行以6 m/s的速度从车边匀速驶过。
(1)汽车从开动后到追上自行车之前,要经多长时间两者相距最远?此时距离是多少?
(2)汽车什么时候追上自行车,此时汽车的速度是多少?
正确答案
解:(1)汽车开动后速度由零逐渐增大,而自行车速度是定值,当汽车的速度还小于自行车的速度时,两者距离越来越大,当汽车的速度大于自行车的速度时,两者距离越来越小。所以当两车的速度相等时,两车之间距离最大
有v汽=at=v自,t=
6 m
(2)汽车追上自行车时位移相等,所以
所以
所以v汽'=at'=3×4 m/s=12 m/s
某天,小明在上学途中沿人行道以v1=1m/s速度向一公交车站走去,发现一辆公交车正以v2=15m/s速度从身旁的平直公路同向驶过,此时他们距车站s=50m。为了乘上该公交车,他加速向前跑去,最大加速度a1=2.5m/s2,能达到的最大速度vm=6m/s。假设公交车在行驶到距车站s0=25m处开始刹车,刚好到车站停下,停车时间t=10s,之后公交车启动向前开去。(不计车长)求:
(1)若公交车刹车过程视为匀减速运动,其加速度a2大小是多少?
(2)若小明加速过程视为匀加速运动,通过计算分析他能否乘上该公交车。
正确答案
解:(1)公交车的加速度
所以其加速度大小为
(2)汽车从相遇处到开始刹车用时
汽车刹车过程中用时
小明以最大加速度达到最大速度用时
小明加速过程中的位移
以最大速度跑到车站的时间
,小明可以在汽车还停在车站时上车
跳伞运动员做低空跳伞表演,他在离地面323 m高处,由静止开始在竖直方向做自由落体运动。一段时间后,立即打开降落伞,以12.5 m/s2的平均加速度匀减速下降,为了运动员的安全,要求运动员落地速度最大不得超过5 m/s。(g=10m/s2)
(1)求运动员展开伞时,离地面高度至少为多少?着地时相当于从多高处自由落下?
(2)求运动员在空中的最短时间是多少?
正确答案
解:设下落时的高度为,展开伞时的速度
,此时距地面的高度为
,落地时速度
,匀减速下降时的加速度为
(1)
代入数据可得:
(2)自由落体过程:
匀减速过程:
总时间:
“30m折返跑”中.在平直的跑道上,一学生站立在起点线处,当听到起跑口令后(测试员同时开始计时),跑向正前方30m处的折返线,到达折返线处时,用手触摸固定的折返处的标杆,再转身跑回起点线,到达起点线处时,停止计时,全过程所用时间即为折返跑的成绩.学生可视为质点,加速或减速过程均视为匀变速,触摸杆的时间不计.该学生加速时的加速度大小为a1=2.5m/s2,减速时的加速度大小为a2=5m/s2,到达折返线处时速度需减小到零,并且该学生全过程最大速度不超过vm=12m/s.求该学生“30m折返跑”的最好成绩.
正确答案
设起点线处为A,折返线处为B,学生从A到B的过程中,先做匀加速运动,紧接着做匀减速直线运动,直至速度为零,并设此过程中达到的最大速度为v,做匀加速运动的时间为t1,做匀减速运动的时间为t2,从A到B要求用时最短,则由运动学公式,有:
v=a1t1 ①
V=a2t2 ②
LAB=(t1+t2) ③
联立①②③式,可解得:
v=10m/s
t1=4s
t2=2s
因为v<vm,所以从A到B的过程中,学生的确先做匀加速运动,然后做匀减速运动;
从B到A的加速过程中,速度从零增大到12m/s需用时:
t3═=
s=4.8s
加速过程的位移
x=t3=28.8m
最后阶段的匀速运动用时:
t4==
s=0.1s
所以,总时间为t=t1+t2+t3+t4=10.9s
即该学生“30m折返跑”的最好成绩为10.9s.
汽车以v0=10m/s的速度在水平路面上匀速运动,刹车后经2秒速度变为6m/s,求:
(1)刹车过程中的加速度;
(2)刹车后6秒内的位移;
(3)汽车在运动最后2秒内发生的位移。
正确答案
解:(1)
(2)汽车停车所需时间:,故6秒时汽车已经停止
(3)汽车匀减速末速度为零,可以也它的运动反过来作为初速为零的匀加速处理
跳伞运动员做低空跳伞表演,他离开飞机后先做自由落体运动,当运动135 m时打开降落伞,伞张开时运动员就以14.3 m/s2的加速度做匀减速运动,到达地面时速度为5m/s,问:
(1)运动员离开飞机时距离地面的高度为多少?
(2)运动员离开飞机后,经过多长时间才能到达地面?(g取10 m/s2)
正确答案
解:(1)由v12-v02=2gx1可得,运动员打开伞时的速度为v1=60 m/s
运动员打开伞后做匀减速运动,由v22-v12=2ax2,可求得运动员打开伞后运动的位移x2=125 m
运动员离开飞机时距地面的高度x=x1+x2=305 m
(2)自由落体运动的时间为
打开伞后运动的时间为:
离开飞机后运动的时间为:t=t1+t2=9.85 s
甲、乙两运动员在训练交接棒的过程中发现:甲经短距离加速后能保持9 m/s的速度跑完全程;乙从起跑后到接棒前的运动是匀加速的。为了确定乙起跑的时间,需在接力区前适当的位置标记。在某次练习中,甲在接力区前x0=13.5 m处作了标记,并以v=9 m/s的速度跑到此标记时向乙发出起跑口令。乙在接力区的前端听到口令时起跑,并恰好在速度达到与甲相同时被甲追上,完成交接棒。已知接力区的长度为L=20 m 求:
(1)此次练习中乙在接棒前的加速度a。
(2)在完成交接棒时乙离接力区末端的距离。
正确答案
解:(1)在甲发出口令后,甲、乙达到共同速度所用的时间为 ①
设在这段时间内甲、乙的位移分别为x1和x2,则
②
x1=vt ③
x1=x2+x0 ④
联立①②③④式解得
代入数值得a=3 m/s2
(2)在这段时间内,乙在接力区的位移为
完成交接棒时,乙与接力区末端的距离为L-x2=6.5 m
水平传送带被广泛地应用于机场和火车站,用于对旅客的行李进行安全检查。如图所示为一水平传送带装置示意图,绷紧的传送带AB始终保持恒定的速率v=1m/s运行。一质量为m=4kg的行李无初速地放在A处,传送带对行李的滑动摩擦力使行李开始做匀加速直线运动,随后行李又以与传送带相等的速率做匀速直线运动。设行李与传送带间的动摩擦因数μ=0.1,A、B间的距离L=2m,g取10m/s2。
(1)求行李刚开始运动时所受的滑动摩擦力大小与加速度大小;
(2)求行李做匀加速直线运动的时间;
(3)如果提高传送带的运行速率,行李就能被较快地传送到B处。求行李从A处传送到B处的最短时间和传送带对应的最小运行速率。
正确答案
解:(1)由“物体无初速地放在A处”得到物体将相对传送带运动,滑动摩擦力方向向右,其大小为
F=μmg=4N
由牛顿第二定律,得a=F/m=1m/s2(2)设行李做匀加速运动的时间为t,行李加速运动的末速度为v=1m/s
则v=at
即t=(v/a)=1s
(3)当行李从A处到B一直匀加速,则传送时间最短
据,有t=2s
传送带对应的最小运行速率为v=at=2m/s
客车以v = 20 m/s的速度行驶,突然发现同轨道的正前方s = 120 m处有一列货车正以v0 = 6m/s的速度同向匀速前进,于是客车紧急刹车,若客车刹车的加速度大小为a = 1m/s2,做匀减速运动,问:
(1)客车是否会与货车相撞?
(2)若会相撞,则在什么时刻相撞?客车位移为多少?若不相撞,则客车与货车的最小距离为多少?
正确答案
解:(1)设经时间t客车速度与货车相等,则:
∴不会相撞
(2)经分析客车速度与货车相等时距离最小
在平直公路上一辆汽车以108 km/h的速度行驶,司机发现前方有危险立即刹车,刹车时加速度大小为6m/s2,求:
(1)刹车后3秒末的速度大小;
(2)刹车后8秒内的位移大小。
正确答案
解:汽车的初速度v0=108 km/h=30 m/s,加速度a=-6m/s2,汽车刹车做匀减速直线运动,设汽车经过t0秒停止,末速度v=0
根据v=v0+at 得:t0=(v-v0)/a=(0-30)/(-6)s=5s
(1)刹车后3秒末汽车还未停止运动
其速度大小:v3= v0+at=30+(-6)×3=12 m/s
(2)因为刹车后t0=5s汽车就已经停下,故刹车后t=8s汽车的位移大小等于t0=5s内的位移大小
即:S=v0t0+=30×5+
m=75m
一辆值勤的警车停在直公路边,当警员发现从他旁边以v=10 m/s的速度匀速行驶的货车有违章行为时,决定前去追赶,经t0=2 s警车发动起来,以加速度a=2 m/s2做匀加速运动,试问:
(1)在警车追上货车之前,两车间的最大距离是多少?
(2)若警车能达到的最大速度是vm=12 m/s,达到最大速度后匀速运动,则警车发动起来后至少要多长的时间才能追上违章的货车?
正确答案
解:(1)在警车追上货车之前,两车速度相等时,两车间的距离最大,设警车发动起来后t's两车速度相等,两车间的距离最大为sm
则
(2)若警车的最大速度是Vm=12 m/s,则警车发动起来后加速时间为t1,加速位移为s1
所以警车还没追上货车,这以后匀速运动追赶,设再经时间t2追上
则s1+vmt2=v(t0+t1+t2)
解得t2=22 s
所以警车发动起来后追上货车经历的时间为t=t1+t2=28 s
已知O、A、B、C为同一直线上的四点,AB间的距离为22m,BC间的距离为26m,一物体自O点由静止出发,沿此直线做匀加速运动,依次经过A、B、C三点,已知物体通过AB段与BC段所用的时间相等且为2s.求O与A的距离.
正确答案
由△s=aT2得,
a=1m/s2vB==12m/s
根据vB2=2as0B
代入数据得SOB=72m
SOA=SOB-SAB=50m
故0与A的距离为50m.
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