题目内容

14.质量为1.0×103kg的汽车,汽车发动机的额定输出功率为5.6×104W,沿倾角为30°的斜坡由静止开始从坡底向上运动,汽车在运动过程中所受摩擦阻力大小恒为2000N,开始时以a=1m/s2的加速度做匀加速运动(g=10m/s2).求:
(1)汽车做匀加速运动持续的时间t1;
(2)汽车所能达到的最大速率;
(3)若斜坡长143.5m,且认为汽车达到坡顶之前,已达到最大速率,则汽车从坡底到坡顶需多少时间?

分析 (1)对汽车进行受力分析,由牛顿第二定律求得牵引力,即可根据额定功率求得匀加速运动的最大速度,然后由匀变速运动规律求得运动时间;
(2)汽车最大速率时受力平衡,由受力平衡求得牵引力,即可求得最大速率;
(3)将汽车运动分为匀加速阶段和额定功率运动阶段,由动能定理求得额定功率运动的时间,即可得到总时间.

解答 解:(1)根据牛顿第二定律可得汽车做匀加速运动的牵引力为:
F=f+mgsin30°+ma=8000N
那么汽车做匀加速运动能到达的最大速度为:
$v=\frac{P}{F}=7m/s$;
所以,汽车做匀加速运动持续的时间为:
${t}_{1}=\frac{v}{a}=7s$;
(2)当达到最大速度vm时汽车受力平衡,故有:
F′=mgsin30°+f=7000N
解得:${v}_{m}=\frac{P}{F′}=8m/s$;
(3)汽车做匀加速运动的位移为:
${s}_{1}=\frac{1}{2}a{{t}_{1}}^{2}=24.5m$
那么汽车在剩下的s2=143.5m-24.5m=119m内以额定功率行驶;
由动能定理可得:$P{t}_{2}-f{s}_{2}-mg{s}_{2}sin30°=\frac{1}{2}m{{v}_{m}}^{2}-\frac{1}{2}m{v}^{2}$;
解得:${t}_{2}=\frac{\frac{1}{2}m({{v}_{m}}^{2}-{v}^{2})+(f+mgsin30°){s}_{2}}{P}$=15s;
所以汽车总的运动时间为:t=t1+t2=22s.
答:(1)汽车做匀加速运动持续的时间t1为7s;
(2)汽车所能达到的最大速率为8m/s;
(3)若斜坡长143.5m,且认为汽车达到坡顶之前,已达到最大速率,则汽车从坡底到坡顶需22s的时间.

点评 经典力学问题一般先对物体进行受力分析,求得合外力及运动过程做功情况,然后根据牛顿定律、动能定理及几何关系求解.

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