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- 2021-06-01 发布
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拓展课 变力做功和机车启动
变力做功的求解方法
核心要点
[
要点归纳
]
1.
转换研究对象法
如图所示,人站在地上以恒力拉绳,使小车向左运动,求拉力对小车所做的功。拉力对小车来说是个变力
(
大小不变,方向改变
)
,但仔细研究,发现人拉绳的力却是恒力,于是转换研究对象,用人对绳子所做的功来求绳子对小车做的功。
2.
平均值法
3.
图像法
如图所示,在
F
-
s
图像中,若能求出图线与
s
轴所围的面积,则这个面积即为
F
在这段位移
s
上所做的功。类似在
v
-
t
图像中,图线与
t
轴所围的面积表示位移。
[
经典示例
]
[
例
1]
如图所示,轻弹簧一端与竖直墙壁连接,另一端与一质量为
m
的木块连接,放在光滑的水平面上,弹簧的劲度系数为
k
,弹簧处于自然状态,用水平力
F
缓慢拉木块,使木块前进
x
0
,求这一过程中拉力对木块做了多少功。
解析
方法一
平均值法
方法二
图像法
[
针对训练
1]
静止在水平面上的物体
M
,受到一水平向右的推力作用,在推力作用下向右运动了
4 m
,水平推力随物体位移的变化图像如图所示,推力的最大值为
4 N
,且力随位移的变化图线恰好为四分之一圆周,求水平推力在此过程中所做的功。
答案
12.56 J
机车的两种启动方式
[
要点归纳
]
机车启动通常有两种方式,即以恒定功率启动和以恒定加速度启动。
1.
机车以恒定功率启动的运动过程
核心要点
故机车达到最大速度时
a
=
0
,
F
=
f
,
P
=
F
v
m
=
f
v
m
,这一启动过程的
v
-
t
图像如
3
中图甲所示。
2.
机车以恒定加速度启动的运动过程
3.
两种过程的
v
-
t
图像、
P
-
t
图像对比
4.
特别注意
(1)
机车以恒定加速度启动时,匀加速结束时的速度,并未达到整个过程的最大速度
v
m
。
(2)
P
=
F
v
中因为
P
为机车牵引力的功率,所以对应的
F
是牵引力并非合力,这一点在计算时需要注意。
[
经典示例
]
[
例
2]
某汽车发动机的额定功率为
60 kW
,汽车质量为
5 t
,汽车在运动中所受阻力的大小恒为车重的
0.1
倍,
g
取
10 m/s
2
。
(1)
若汽车以额定功率启动,则汽车所能达到的最大速度是多少?当汽车的速度为
5 m/s
时,其加速度是多少?
(2)
若汽车以恒定的加速度
0.5 m/s
2
启动,则这一过程能维持多长时间?
审题指导
(1)
汽车达到最大速度时,牵引力与阻力大小相等。
(2)
匀加速运动结束时,汽车的速度并没有达到最大速度,而是刚达到最大功率。
解析
(1)
当汽车的加速度为零时,汽车的速度
v
达到最大值
v
m
,故最大速度为
(2)
汽车以
0.5 m/s
2
的加速度做匀加速运动所能达到的最大速度为
由于这一过程中汽车做匀加速直线运动,满足
v
m
′
=
v
0
+
a
′
t
,
答案
(1)12 m/s
1.4 m/s
2
(2)16 s
方法凝练 分析汽车启动类问题时,必须注意以下三点
(1)
明确汽车的启动方式,是以恒定功率启动,还是以恒定加速度启动。
(2)
抓住两个基本公式:功率
P
=
F
v
(
P
是汽车的实际功率,
F
是汽车的牵引力,
v
是汽车的速度
)
;根据牛顿第二定律有
F
-
f
=
ma
(
f
是汽车受到的阻力
)
。
(3)
正确分析汽车启动过程中各物理量在各个阶段
(
如匀加速运动阶段、变加速运动阶段、匀速运动阶段
)
的变化情况。
[
针对训练
2]
(
多选
)
下列关于汽车运动的论述,正确的是
(
)
A.
汽车以额定功率启动后做变加速运动,速度、加速度均逐渐增大
B.
汽车以额定功率启动后做变加速运动,速度逐渐增大,加速度逐渐减小;加速度为零时,速度最大
C.
汽车匀速行驶时最大允许速度受发动机额定功率限制,要提高最大允许速度,必须增大发动机的额定功率
D.
汽车在水平路面上以额定功率
P
行驶,则当牵引力
F
与阻力
f
平衡时,汽车的速度最大
答案
BCD
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