高中 | 斜面问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

斜面问题

安全行驶

“道路千万条,安全第一条”,交通安全关系到每个家庭的幸福。

一辆质量为$m$的汽车,初速度为$v_{0}$,以恒定功率$P$在平直路面上行驶,经时间$t$达到该功率下的最大速度$v_{\rm m}$,设汽车行驶过程中所受到的阻力保持不变。

①汽车在时间$t$内作                 运动。

②汽车行驶过程中所受到的阻力大小为                 ,时间$t$内的行驶距离为                     

[["加速度减小的变加速","$\\dfrac{P}{v_{\\text{m}}}$","$\\left( Pt+\\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}- \\dfrac{1}{2}mv_{\\text{m}}^{\\text{2}} \\right)\\dfrac{v_{\\text{m}}}{P}$"]]

对小车,由牛顿第二定律有$\dfrac{P}{v}-f=ma$

可知$P$不变,$v$增加,$a$减小,所以小车做的是加速度减小的变加速运动。

小车最大速度$v_{\text{m}}=\dfrac{P}{f}$

可知汽车行驶过程中所受到的阻力大小$f=\dfrac{P}{v_{\text{m}}}$

根据动能定理有$Pt-fx=\dfrac{1}{2}mv_{\text{m}}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{\text{0}}^{2}$

联立以上解得时间$t$内的行驶距离为 $x=\left( Pt+\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{\text{m}}^{\text{2}} \right)\dfrac{v_{\text{m}}}{P}$

一辆在平直路面行驶的汽车,所受阻力大小$f$与行驶的速率成正比,若汽车从静止出发,先做匀加速直线运动,达到额定功率后保持额定功率行驶,则在整个过程中,汽车受到的牵引力大小$F$与阻力大小$f$的关系图像是$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["A"]]

由于汽车先做匀加速直线运动,题意可知阻力$f=kv$$k$为比例系数)

由牛顿第二定律有$F-f=ma$

整理得$F=ma+f$

可知牵引力$F$$f$的增大而均匀增大,图像是一条倾斜的直线,功率达到最大值后,牵引力$F=\dfrac{P}{v}$

联立以上解得$F=\dfrac{Pk}{f}$

可知牵引力与阻力成反比,$\rm A$选项符合题意。

故选:$\rm A$

如图所示,避险车道制动坡道可视为与水平面夹角为 $\theta$ 的斜面。一辆货车在干道行驶过程中刹车失灵,关闭发动机后以$v_{0}=90\;\rm km/h$的速度驶入避险车道。已知货车与路面间的动摩擦因数 $\mu =0.4$,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,不计空气阻力 。

①为防止货车在避险车道上停下后发生溜滑现象,该车道路面的倾角 $\theta$ 应该满足的条件是                 

②(计算)若避险车道路面倾角为$15^\circ$,取$\sin15^\circ=0.26$$\cos15^\circ=0.97$,求货车在避险车道上行驶的最大距离$s$                 (结果保留$2$位有效数字)

③在避险车道的末端设置有防撞网,阻挡失控车辆冲出避险车道。当车辆撞击防撞网时,防撞网                 (选填“应该”或“不应该”)超出其弹性限度。

[["$\\tan \\theta\\lt 0.4$","$49\\;\\rm m$","应该"]]

为防止货车在避险车道上停下后发生溜滑现象,则货车在车道上沿车道向上的最大静摩擦力大于等于沿车道向下的重力的分力,即 $\mu mg\cos \theta\gt mg\sin \theta$

解得$\tan \theta\lt 0.4$

设货车在避险车道减速至零,距离为$s$,受力分析如图

由动能定理可知$- \mu mg\cos\theta \times s-mg\sin\theta \times s=0-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

联立解得$s\approx 49\;\rm m$

为了确保能够有效吸收车辆动能,防止车辆反弹,当车辆撞击防撞网时,防撞网应该超出其弹性限度。

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