高中物理机车启动问题分析

理综测试注重以现实问题立意,突出能力考查.因而以机车起动为情景的高考命题屡次出现于近几年高考试卷中,该类问题中对于a、F、p、v四个物理量间相互联系、相互制约关系的分析是考生的难点所在.

难点1 机车起动问题分析

理综测试注重以现实问题立意，突出能力考查.因而以机车起动为情景的高考命题屡次出现于近几年高考试卷中，该类问题中对于a、F、p、v四个物理量间相互联系、相互制约关系的分析是考生的难点所在.

●难点磁场

1.（★★★）汽车以恒定功率P由静止出发，沿平直路面行驶，最大速度为v，则下列判断正确的是

A.汽车先做匀加速运动，最后做匀速运动

B.汽车先做加速度越来越大的加速运动，最后做匀速运动

C.汽车先做加速度越来越小的加速运动，最后做匀速运动

D.汽车先做加速运动，再做减速运动，最后做匀速运动

2.（★★★★）汽车在水平公路上行驶，车受的阻力为车重的0.01倍，当速度为4 m/s时，加速度为0.4 m/s2.若保持此时的功率不变继续行驶，汽车能达到的最大速度是________m/s. （g取10 m/s2）

●案例探究

［例1］（★★★★）汽车发动机额定功率为60 kW，汽车质量为5.0×103 kg，汽车在水平路面行驶时，受到的阻力大小是车重的0.1倍，试求：

（1）汽车保持额定功率从静止出发后能达到的最大速度是多少？

（2）若汽车从静止开始，以0.5 m/s2的加速度匀加速运动，则这一加速度能维持多长时间？

命题意图：考查对汽车起动的两类问题及过程的分析能力.B级要求.

错解分析：（1）对v、F、a、p间相互制约关系分析不透，挖掘不到临界条件和临界状态，（2）在第（2）问中认为功率刚达到最大（即额定功率）时，速度亦达到了最大.

解题方法与技巧：（1）汽车以恒定功率起动时，它的牵引力F将随速度v的变化而变化，其加速度a也随之变化，具体变化过程可采用如下示意图表示：

PF f a 当a 0时 v F vm 即F f时v达到最大vm 保持vm匀速运动

由此可得汽车速度达到最大时，a=0，

F f kmg P v =12 m/s mP F vmkmg

（2）要维持汽车加速度不变，就要维持其牵引力不变，汽车功率将随v增大而增大，当P达到额定功率P额后，不能再增加，即汽车就不可能再保持匀加速运动了.具体变化过程

理综测试注重以现实问题立意,突出能力考查.因而以机车起动为情景的高考命题屡次出现于近几年高考试卷中,该类问题中对于a、F、p、v四个物理量间相互联系、相互制约关系的分析是考生的难点所在.

所以，汽车达到最大速度之前已经历了两个过程：匀加速和变加速，匀加速过程能维持到汽车功率增加到P额的时刻，设匀加速能达到最大速度为v，则此时 v1 at 代入数据可得 P额 Fv

F kmg ma:t 16s

［例2］（★★★★★）电动机通过一绳子吊起质量为8 kg的物体，绳的拉力不能超过120 N，电动机的功率不能超过1200 W，要将此物体由静止起用最快的方式吊高90 m（已知此物体在被吊高接近90 m时，已开始以最大速度匀速上升）所需时间为多少？

命题意图：考查对机械启动两类问题的理解及迁移应用的创新能力.B级要求.错解分析：对第二过程分析不透，加之思维定势，无法巧妙地借助动能定理求t2.

解题方法与技巧：

此题可以用机车起动类问题的思路，即将物体吊高分为两个过程处理：第一过程是以绳所能承受的最大拉力拉物体，使物体匀加速上升，第一个过程结束时，电动机刚达到最大功率.第二个过程是电动机一直以最大功率拉物体，拉力逐渐减小，当拉力等于重力时，物体开始匀速上升.

在匀加速运动过程中加速度为

a=Fm mg

m 120 8 10

8

1200

120 m/s2=5 m/s2 末速度vt=Pm

Fm =10 m/s

上升的时间t1=vt

a

vt2 105s=2 s 2上升高度为h=2a 10

2 5=5 m

在功率恒定的过程中，最后匀速运动的速率为

vm=Pm

F Fm

mg 1200

8 10=15 m/s

外力对物体做的总功W=Pmt2-mgh2,动能变化量为

ΔEk=1

2mv2m-1

2mvt2

1

2由动能定理得Pmt2-mgh2=mvm2-1

2mvt2

代入数据后解得t2=5.75 s，所以t=t1+t2=7.75 s所需时间至少为7.75 s.

●锦囊妙计

机车起动分两类：（1）以恒定功率起动；（2）以恒定牵引力起动.其解题关键在于逐步分析v、a、F、p间关系，并把握由起动到匀速的临界条件F=f，即汽车达到最大速度的条件.

该类问题的思维流程为：

（1）以恒定功率起动的运动过程是：变加速（a↓）（a=0）匀速，在此过程中，F牵、v、

理综测试注重以现实问题立意,突出能力考查.因而以机车起动为情景的高考命题屡次出现于近几年高考试卷中,该类问题中对于a、F、p、v四个物理量间相互联系、相互制约关系的分析是考生的难点所在.

a的变化情况：

v F a 当a 0时

vm所以汽车达到最大速度时

机车做变加速直线运动 a=0，F=f,P=Fvm=fvm.

即F f时v达到最大vm 保持vm匀速运动

（2）以恒定牵引力匀加速起动的运动过程是：匀加速 当功率增大到额定功率Pm后，变加速（a↓） （a=0）匀速.各个量（牵引功率、牵引力、加速度、速度）的变化情况如

●歼灭难点训练

1.（★★★）飞机在飞行时受到的空气阻力与速率的平方成正比，若飞机以速率v匀速飞行时，发动机的功率为P，则当飞机以速率n v匀速飞行时，发动机的功率为

A.np B.2np C.n2p D.n3p

2.（★★★★）质量为5.00×105 kg的机车，以恒定的加速度从静止出发，经5 min行驶2.25 km，速度达到最大值54 km/h,则机车的功率为_____W.

3.（★★★★）（2002年上海春考）铁路提速，要解决许多技术问题.通常，列车阻力与速度平方成正比，即f=kv2.列车要跑得快，必须用大功率机车来牵引.试计算列车分别以 120 km/h和40 km/h的速度匀速行驶时，机车功率大小的比值.（提示：物理中重要公式有PF fF=ma,W=Fs′,P=Fv,s=v0t+1

2at2）

4.（★★★★）额定功率为80 kW的汽车，在平直的公路上行驶的最大速度为20 m/s.已知汽车的质量为2×103 kg，若汽车从静止开始做匀加速直线运动，加速度的大小为2 m/s2.假定汽车在整个运动过程中阻力不变.求：

（1）汽车受到的阻力Ff；

（2）汽车在3 s末的瞬时功率；

5.（★★★★★）质量为m=4×103 kg的汽车发动机的额定功率P0=40×103 W，汽车从静止开始，以a=0.5 m/s2的加速度做匀加速直线运动，所受阻力恒为Ff=2×103 N，求：

（1）汽车匀加速运动所用的时间t；

（2）汽车可达的最大速度vm；

（3）汽车速度为2vm/3时的加速度a′

6.（★★★★★）汽车质量为5 t，其发动机额定功率为37.5 kW，汽车在水平道路上从静止开始起动，开始一段时间内，以加速度1.0 m/s2做匀加速运动，最后匀速运动的速度为15 m/s.求：

（1）汽车做匀加速运动的时间.

（2）汽车匀速运动后关闭发动机，还能滑多远？

参考答案：

理综测试注重以现实问题立意,突出能力考查.因而以机车起动为情景的高考命题屡次出现于近几年高考试卷中,该类问题中对于a、F、p、v四个物理量间相互联系、相互制约关系的分析是考生的难点所在.

［难点磁场］

1.C 2.20

［歼灭难点训练］

1.D

2.3.75×105

3.27∶1

4.（1）Ff=P

Vm=4×103 N

（2）v3=at=6 m/s,F-Ff=ma,P3=Fv3=4.8×104 W

5.（1）20 s;（2）20 m/s;（3）0.25 m/s2

6.（1）t=5 s;（2）s=225 m

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