高中物理机车启动问题专题

机车启动问题

机车启动问题相对于前面几个问题而言，情境的描述往往没有那么多样，但其依然是学员眼中的一个难点。那么它又难在哪里呢机车启动有两种基本方式，恒定功率启动和恒定加速度启动。功率要恒定的话，牵引力就得变，机车的加速度就得变，机车就做了变加速直线运动。恒定加速度启动，牵引力不变，但功率在变，当功率达到恒定功率时，有变成了恒定功率运动。不难看出，机车启动问题涉及到了匀变速直线运动、变加速运动、恒力做功、变力做功、功率等多方面问题，其运动形式也很难见到较为单一的题目。而且，机车启动题目能够较好的考查学生对牛顿运动定律、运动学规律、功率、动能定理等主干知识的掌握程度。因此机车启动问题也便成为了命题专家较为心仪的题目，翻开各地试卷这类题目不难找见。其实，解决机车启动问题是有有规律可循和要有一定的研究方法的，只要能熟练掌握求解的规律和方法，再加之细心审题和运算，此类题目也是不难处理的！

基本机车启动问题

例|1（09·四川）图示为修建高层建筑常用的塔式

起重机。在起重机将质量kg 1053⨯=m 的重物竖直吊起的过程中，重物由静止开始向上作匀加速直线运动，加速度2m/s 2.0=a ，当起重机输出功率达到其允许的最大值时，保持该功率直到重物做m/s 02.1=m v 的匀速运动。取2m/s 10=g ，不计额外功。求：

（1）起重机允许输出的最大功率。

（2）重物做匀加速运动所经历的时间和起重机在第2秒末的输出功率。

【启导】物体匀速运动时起重机功率最大，牵引力等于重力，最大速度已知，由Fv P =可求出起重机最大功率。物体开始做匀加速运动，可由牛顿第二定律求出加速度，这一阶段末状态起重机功率已经达到额定值，由此可求出物体此时的速度，然后再结合速度公式就可以求出匀加速运动的时间了。至于起重机第2秒末的输出功率，先要确定好第2秒末物体的状态，若处于加速状态就根据瞬时功率表达式计算，若处于匀速状态则为额定功率。

【解析】（1）设起重机允许输出的最大功率为P 0，重物达到最大

速度时，拉力F 0等于重力，则

P 0=F 0v m ①

P 0=mg ②

代入数据，解得 P 0=×104W

③

（2）匀加速运动结束时，起重机达到允许输出的最大功率，设此

时重物受到的拉力为F，速度为v1，匀加速运动经历时间为t1，则

P0=F0v1 ④

F-mg=ma⑤

v1=at1 ⑥

联立③④⑤⑥式，解得t1=5 s ⑦

t=2 s时，重物处于匀加速运动阶段，设此时速度为v2，输出功

率为P，则

v2=at⑧

P=Fv2

⑨

联立⑤⑧⑨式，解得P=×104W

【答案】（1）×104W （2）5 s ×104W

【品味】本题利用了起重机吊物考查了类似机车启动的最基本规

律，题中虽然始终不见机车，但实际上却是地地道道的“机车启动”

问题。对此类问题我们要特别牢记：（1）当牵引力等于阻力时，其速度最大；（2）匀加速阶段的三个基本方程：Fv

P=，ma

-，

F=

mg

v=。

at

涉功能机车启动问题

例|2电动机通过一绳子吊起质量为8kg的物体，绳的拉力不能超过120N，电动机的输出功率不能超过1200W，要将此物体由静止起用最快的方式吊高90m（已知此物体被吊高接近90m时，已开始以最大速度匀速上升）所用时间为多少（g取10m/s2）

【启导】本题虽与上题情境颇为相似，但考查的角度却是有很大区别的。从题设中“将此物体由静止起用最快的方式吊高90m”可得知开始时应用绳子最大拉力拉物体，而且从题目括号内的说明可知在物体被吊到90m之前就已经匀速运动了，若果能分别求出两个阶段的时间就可以求出总时间。匀加速阶段的时间根据上题所总结的三个方程就可以求出来，但第二阶段的时间怎么算呢

【解析】开始一段时间，绳以最大拉力拉物体，使物体做匀加速运动，则

-

F=

mg

ma

m

解得2

a

=

5

m/s

匀加速运动的末速度为

m/s 10m m 1==

F P v 上升的时间 s 211==a

v t 上升的高度 m 10221==a

v h 在功率恒定的过程中，最后匀速运动的速率为

m/s 15m m m ===

mg P F P v 由动能定理得

212m 22m 2

121mv mv mgh t P -=- 代入数据，解得 s 75.52=t

所以 s 75.721=+=t t t

【答案】s 75.7

【品味】本题第二阶段，电动机功率恒定，牵引力为变力，物体做变加速运动，要求时间，从直线运动规律和牛顿运动定律角度就很不好办了。不过要能想到应用动能定理，那就柳暗花明了。这一阶段虽为变力做功，但功率是恒定的，功率与时间的乘积就是牵引力做的

功。其实动能定理是我们分析这种功率恒定的变力做功问题的常用方法手段，要注意掌握。

双启动问题

例|3一种采用电力和内燃机双动力驱动的新型列车，质量为m，当它在平直的铁轨上行驶时，若只采用内燃机驱动，发动机额定功率功率为

P，列车能达到的最大速度为1v。若只采用电力驱动，发动机

1

的额定功率功率为

P。现由于某种原因列车停在倾角为 的坡道上，

2

为了保证列车有足够大的动力，需改为电力驱动。若让列车由静止开始匀加速启动，加速度为a，已知重力加速度为g，列车在坡道上行驶所受的阻力是在平直铁道上行驶时的k倍，试求列车能保持匀加速运动的时间。

【启导】本题中同时涉及到了两种运动，但仔细分析发现内燃机驱动（也就是恒定功率起动）只是一种条件，能够求出列车受到的阻力。然后再根据电力驱动（恒定加速度启动）规律计算时间。不过要注意机车是在斜面上运动。

【解析】内燃机驱动时，当列车以额定功率匀速行驶时速度最大，则