物理机车启动问题

【物理】直击机车启动问题

一、机车的两种启动问题

机车从静止开始沿水平面加速启动，有两种不同的加速过程，但分析时采用的基本公式都是P=Fv和F-f=ma.为使问题简化，假定机车所受阻力大小恒定.

1．恒定功率的加速问题

由公式P=Fv和F-f=ma知，由于P恒定，随着v的增大，F必将减小，a也必将减小，机车做加速度不断减小的加速运动，直到F=f，a=0，这时v达到最大值可见恒定功率的加速运动一定不是匀加速运动.这种加速过程发动机做的功只能用W=Pt计算，不能用W=Fs计算（因为F为变力）.

2．恒定牵引力的加速问题

由公式P=Fv和F-f=ma知，由于F恒定，所以a恒定，机车做匀加速运动，而随着v的增大，功率也将不断增大，直到功率达到额定功率P，功率不能再增大了.这时匀加速运动结束，其最大速度为，此后机车要想继续加速就只能做恒定功率的变加速运动了.可见当机车做恒定牵引力的加速运动时功率一定不恒定.这种加速过程发动机做的功只能用W=F·s计算，不能用W=P·t计算（因为P为变功率）.

以上机车的两种启动过程可用如图所示的v-t图像来概括说明.0~t1时间内，机车从静止开始匀加速运动，牵引力F恒定，机车的输出功率P=Fv不断变大，t1时刻达到额定功率（匀加速阶段结束）；t1~t2时间内，机车以恒定功率继续加速，牵引力和加速度不断减小（加速度减小的加速运动），对应图像中曲线部分；t2时刻加速度减为零，F=f，机车匀速前进（对应图像中水平直线部分），此时达到最大速度

典例1（2011·天津卷）一新型赛车在水平专用测试道上进行测试，该车总质量为m=1×103 kg，由静止开始沿水平测试道运动，用传感设备记录其运动的v-t图像如图所示.该车运动中受到的摩擦阻力（含空气阻力）恒定，且摩擦阻力跟车的重力的比值为μ＝0.2.赛车在0～5 s的v-t图像为直线，5 s末该车发动机达到额定功率并保持该功率行驶，在5～20 s之间，赛车的v-t图像先是一段曲线，

后为直线.取g=10 m/s2，试求：

（1）该车的额定功率；

（2）该车的最大速度v m.【分析】（1）0~5s赛车做匀加速运动，其加速度：

由牛顿第二定律：F －f=ma，得牵引力F=6×103 N

所以发动机牵引力的额定功率P=Fv1=1.2×105 W.

（2）由P=fv m，解得：v m=60 m/s.

点评弄清楚v-t图像中各段图线所表示的运动过程，然后画出运动草图，合理运用牛顿运动定律和运动学公式是解决此类问题的基本思路和方法.

拓展训练1 一辆电动汽车的质量为1×103 kg，额定功率为2×104 W，在水平路面上由静止开始做直线运动，最大速度为v2，运动中汽车所受阻力恒定.发动机的最大牵引力为3×103 N，其行驶过程中牵引力F与车速的倒数1/v的关系如图所示.试求：（1）v2的大小；

（2）整个运动中的最大加速度；

（3）当汽车的速度为10 m/s时，发动机的功率.

二、机车启动问题中的位移分析方法

在机车启动过程中，计算机车的位移是一个难点.由于机车一般会经历多个运动过程，在匀变速运动过程中可以利用运动学公式直接求

解，但在变加速运动阶段，只能借助动能定理来计算.在机车启动问题中，要注意区别“两个速度”，即匀加速阶段的最大速度（图像中的v

v m）.求匀加速阶段的位移1）和最终匀速运动的速度（图像中的

可运用匀变速直线运动的位移公式计算变加速运动阶段的位移则不能用上述公式，但由于该阶段功率P不变，故可以用动能定理P(t2-t1)-fx2= 计算

如在调研1中，计算赛车出发后前20 s内的位移，分析如下：

代入数据解得x2=100 m

总位移x=x1+x2=150 m.

典例2（2011·浙江卷）节能混合动力车是一种可以利用汽油及所储存电能作为动力来源的汽车.有一质量m=1 000 kg的混合动力轿车，在平直公路上以速度v1=90 km/h匀速行驶，发动机的输出功率为P=50 kW.当驾驶员看到前方有80 km/h的限速标志时，保持发动机功率不变，立即启动利用电磁阻尼带动的发电机工作给电池充电，使轿车做减速运动，运动L=72 m后，速度变为v2=72km/h.此过程中发动机功率的1/5用于轿车的牵引，4/5用于供给发电机工作，发动机输送给发电机的能量最后有50%转化为电池的电能.假设轿车在上述运动过程中所受阻力保持不变.求：

（1）轿车以90 km/h在平直公路上匀速行驶时，所受阻力f的大小；

（2）轿车从90 km/h减速到72 km/h过程中，获得的电能E电；

（3）轿车仅用其在上述减速过程中获得的电能E电维持72 km/h 匀速运动的距离L′.

【分析】（1）轿车牵引力与输出功率的关系P=Fv1

将P=50 kW，v1=90 km/h=25 m/s代入得当轿车匀速行驶时，牵引力与阻力大小相等，有f=2×103 N.

（2）在减速过程中，发动机只有P/5用于轿车的牵引，根据动能定理有

（3）根据题设，轿车在平直公路上匀速行驶时受到的阻力仍为f=2×103 N.此过程中，由能量转化及守恒定律可知，仅有电能用于克服阻力做功E电=fL′，代入数据得L′=31.5 m.

点评本题是对机车启动问题的创新性考查，解决问题的依据和方法是考生所熟悉的，但题目情境比较新颖.首先是材料新，以节能混合动力车为题材；其次是考查角度新，没有直接考查机车启动问题的三个运动过程，而是从能量转化与守恒的角度考查考生获取信息的能力.审题过程中弄清楚发动机输出功率的分配是解题的关键.

拓展训练2 某兴趣小组对一辆自制遥控小车的性能进行研究，他们让这辆小车在水平的直轨道上由静止开始运动，并将小车运动的全过程记录下来，通过处理转化为v-t图像，如图所示（除2~10s时间段内的图像为曲线外，其余时间段图像均为直线）．已知小车运动的过程中，2~14s时间段内小车的功率保持不变，在14s末停止遥控而让小车自由滑行．小车的质量为1 kg，可认为在整个过程中小车所受到的阻力大小不变．求：

（1）小车所受到的阻力大小及0~2 s时间内电动机提供的牵引力大小．

（2）小车匀速行驶阶段的功率．

（3）小车在0~10s运动过程中位移的大小．

变式拓展答案与解析

1.由F-1/v图线可知，当速度较小（1/v较大）时，图线AB对应的牵引力F恒定，说明汽车由静止开始匀加速运动；图线BC的F与1/v成正比，斜率表示汽车的功率P，因最大速度为v2，说明汽车达到额定功率后，做功率一定的牵引力逐渐减小的变加速运动，直至达到最大速度v2，此后做匀速直线运动.