高中物理汽车启动的两种问题分析素材新人教版
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汽车启动问题
汽车的运行问题是高中物理在实际生活中应用的一个重点,也是同学们在学习中的一个难点。其关键在于对汽车运行过程中的物理实质没弄明白,即不清楚它的物理过程,不知道它在每一个物理过程中的受力情况、运动情况和能量转化情况是怎样的?甚至忽视了汽车运行过程中与发动机的功率有关。下面就此类问题归纳整理如下:
一、功率是表示物体做功快慢的物理量。功跟完成这些功所用时间之比成为功率,即P=W/t。该式表示的是物体(或力)在t这段时间内的平均功率。功率也可用公式
P=Fvcosα计算,式中α是F与v方向间的夹角,v若是瞬时速度,则求得的为瞬时功率;若是平均速度,求得的为平均功率。
发动机的功率即牵引力的功率。由于力与速度方向相同,P=Fv.如果发动机保持牵引力不变,则功率将随运行速率增大而增加。但发动机的功率的增大是有一定限度的,发动机实际功率不能超过其额定功率。当发动机达到额定功率并保持功率不变运行时,其牵引力与运行的速率成反比。因此,汽车以恒定的加速度a做匀加速运动只能维持到速度增加到某一极值v1。若汽车的质量为m,汽车运行中所受阻力为F2,则牵引力
F1=F2+ma,可知v1=P/(F2+ma.).当汽车速度达到v1之后,车速仍可增大(因为牵引力大于阻力),但随着速度增大,牵引力将减小到与阻力大小相等,得v2=P额/F2。显然车速达到最大速度之前,必然经历一段加速度逐渐减小的加速运动,直至加速度减为零。尤其是汽车以恒定功率开始运动到达最大速度的过程,汽车始终做变加速运动。匀变速运动的运动学公式不能应用此类问题。例如汽车以恒定功率
运动,在t秒内速度由v1增加到v2,其速度图线如图1中曲
线所示,曲线的斜率逐渐变小,反映了汽车的加速度逐渐减
小。由于图线下的面积反映了位移,汽车在这段时间内的位
移显然大于(v1+v2)t/2,即大于按匀变速直线运动公式所求得的
位移。
需要注意的是,在上述讨论汽车的运动的公式中,F2代
表汽车所受的阻力,即所有阻碍汽车运动的力,不要将它与摩擦阻力等同。其实更严格地说,F2代表汽车所受各外力中,除了牵引力F1之外所有其它力的合力。
二、关于汽车的启动过程
汽车的启动问题可分为两类:一类是以恒定功率启动,另一类是以恒定牵引力启动;按汽车启动的位置又分为在平直路面上和在斜坡上的启动两种情形:
1、汽车在平直路面上启动时
(1)以恒定功率启动
因为P一定,据P=Fv可知,v↑,所以F↓。当F=F f时,汽车的加速度a=0,此时汽车的速度达到最大值v m。
在以恒定功率启动的过程中,汽车的运动具有以下特点:
①汽车在启动过程中先做加速度不断减小的加速运动,同时牵引力变小,当牵引力等于阻力时,汽车开始以最大速度做匀速直线运动。
②汽车在启动的过程中的功率始终等于汽车的额定功率。
③汽车的牵引力F和阻力F f始终满足牛顿第二定律F-F f=ma.
④汽车的牵引力F和瞬时速度v始终满足P=P额=Fv
⑤在启动过程结束时,因为牵引力和阻力平衡,此时有P额=Fv m=F f v m
⑥从能的角度看,启动过程中牵引力所做的功一方面用以克服阻力做功,另一方面增加汽车的动能,即W牵=mv2/2+∣W阻∣
(2)以恒定牵引力启动
汽车以恒定的牵引力启动时,汽车的加速度恒定,若汽车受到的阻力是不变的,根据牛顿第二定律F-Ff=ma可知,加速度a恒定,汽车的瞬时速度v t=v o+at(v o=0),汽车做匀加速直线运动,实际功率P t=Fv t,随着时间的推移,实际功率P t 将不断增大,由于汽车的实际功率不能超过其额定功率,汽车的匀加速直线运动只能维持到其实际功率等于其额定功率时,此时汽车的速度达到它匀加速直线运动阶段的最大速度v1m,其后汽车只能以额定功率启动的方式进行再加速,其运动方式和第一种启动方式完全相同,即汽车继续做加速度越来越小的变加速直线运动,直到汽车进入匀速直线运动状态,直到达到最终的最大速度v m.
这一启动方式具有下列特点:
①汽车的启动过程经历了两个阶段:一是匀加速直线运动状态,二是变加速直线运动状态,最终做匀速直线运动。
②汽车在匀加速直线运动阶段,汽车的瞬时速度v t=v o+at(v o=0),汽车做匀加速直线运动所能维持的时间t1=v1m/a.
③汽车做匀加速直线运动阶段,汽车的瞬时功率P t=Fv t
④汽车在匀加速直线运动阶段结束时,瞬时功率P t等于额定功率P额,且满足P t=P 额=Fv1m.
⑤汽车在变加速直线运动阶段功率恒为额定功率,进入匀速直线运动时牵引力和阻力平衡,有P t=P额=F f v m.
⑥从能的角度看,匀加速直线运动阶段W牵1-F1·S1=mv1m2/2(其中W牵1、S1 分别表示匀加速直线运动阶段牵引力做的功、位移)。
变加速直线运动阶段牵引力做的功W牵2=P额t2(t2表示变加速直线运动阶段所经历的时间)。W牵2-F f·S2=mv m2/2-mv1m2/2(S2为变加速直线运动阶段的位移)。
2、汽车在斜坡上启动时
汽车在倾角为θ的斜坡上从静止开始启动时,无论以恒定功率启动,还是以恒定牵引力启动,其启动过程和在平直路面上的情况相似,主要有以下几点区别:(1)汽车在斜坡上启动时,汽车的牵引力F、阻力F f和重力沿斜坡向下的分力mgsin θ始终满足牛顿第二定律:上坡时F-F f-mgsinθ=ma,下坡时F+mgsinθ-F f=ma(若以额定功率启动,加速度a时刻在变;若以恒定牵引力启动,加速度a恒定)。
(2)汽车在斜坡上启动过程刚结束时,因为牵引力、阻力和重力沿斜面向下的分力三者平衡,上坡时有F=F f+mgsinθ,P额=Fv m=( F f+mgsinθ)v m ,下坡时有F=F f-mgsin θ,P额=Fv m= (F f-mgsinθ) v m .(在这一点上,两种启动方式是一致的) (3)从能的角度看,若以额定功率启动,上坡时,牵引力所做的功有三个方面的作用,一是用以克服阻力做功,二是增加车的重力势能,三是增加汽车的动能;下坡时牵引力、重力做正功有两个方面的作用,用以克服阻力做功和增加汽车的动能。
若以恒定加速度启动:上坡时牵引力所做的功也有三个方面的作用,一是用以克服阻力做功,二是增加车的重力势能,三是增加汽车的动能。
下坡时牵引力、重力做正功有两个方面的作用,用以克服阻力做功和增加汽车的动能。
总之,求解物理问题时要把握住四个分析:受力分析、运动分析、能量分析及动量分析。也只有清楚它的过程,才能依据相应的规律列方程求解。