题目内容

9.如图所示,光滑水平面上有A、B两个位置,它们之间的距离为x,一个物体(物体视为质点)静止放在位置A处.现在要把该物体从位置A移动到位置B,有两种方法.第一种是:在该物体上加一个水平向右的恒力,使物体先以加速度大小为a匀加速直线运动,到某一合适的位置后,外力撤去,物体做匀速直线运动,再到另一个合适的位置,该力保持大小不变再反向向左作用于物体,使物体再以加速度大小为a做匀减速直线运动,最后到达位置B时撤去外力,物体速度刚好为零静止不动.第二种是:在该物体上加一个同样大小的水平向右的恒力,使物体也先以加速度大小为a匀加速直线运动,到某一合适的位置后,该力突然反向向左且大小不变作用于物体,使物体再以加速度大小为a做匀减速直线运动,最后也到达位置B时撤去外力,物体速度刚好为零静止不动.请你通过计算判断,以上哪种情况该物体从A到B的运动过程时间最短,其最短时间为多少?

分析 第一种情况物体经历匀加速、匀速、匀减速三个过程,第二种情况物体先匀加速再匀减速,由位移时间关系以及速度时间关系等列方程求解,对结果进行比较.

解答 解:第一种情况,设总时间为t,匀加速时间为t1,匀速时间为t2,由对称性可得,匀减速的时间也为t1,故有:
t=2t1+t2
设匀加速位移为x1,末速度为v,有:
${x}_{1}=\frac{1}{2}$${at}_{1}^{2}$
v=at1
匀速运动的位移为:x2=vt2
匀减速的位移与匀加速位移相同,故位移为:x=2x1+x2
联立以上各式可得,t=${t}_{1}+\frac{x}{{at}_{1}}$
由数学知识可得,t$≥2\sqrt{\frac{x}{a}}$,因${t}_{2}≠0,故t>\sqrt{\frac{x}{a}}$
第二种情况,设总时间为t′,则有:$\frac{1}{2}$x=$\frac{1}{2}$a${(\frac{t′}{2})}^{2}$
解得,t$′=2\sqrt{\frac{x}{a}}$
由以上可得,第二种情况该物体从A到B的运动过程时间最短,最短为:2$\sqrt{\frac{x}{a}}$
答:第二种情况该物体从A到B的运动过程时间最短,最短为:2$\sqrt{\frac{x}{a}}$.

点评 本题运动情景比较清晰,但运动学关系比较多,数学运算比较麻烦,给试题增加了难度,而这种能力要求是学生必须具备的.

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