物理问题某兴趣小组对一辆自制遥控电力小车的性能进行研究.他们让这辆小车在水平的直轨道上由静止开始运动,并将小车运动的全过

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  • (1)第14s到18s期间,只有摩擦阻力做功,会改变速度大小,加速度为:a2=-6/4 m/s^2=-1.5 m/s^2,故摩擦阻力为:f2=m*a2=-1.5 N,负号表示与运动方向相反.

    (2)在第10s到14s,小车做匀速直线运动,电动机提供的牵引力与摩擦阻力抵消,故牵引力为f1=-f2=1.5 N,此期间速度为v1=6 m/s,故额定功率P=f1×v1=9 W.

    (3)在第0s到第2s间,小车做匀加速运动,根据v-t曲线的几何意义,曲线下的面积几位位移,故,此期间的位移大小为:S1=1/2*3*2=3 m.

    在第2s到第10s间,小车做变加速直线运动,如果没有学过微分方程,是无法求出位移的准确值的,根据图像可以求出近似值.近似计算的方法很多,对于本题,可以按如下方法求近似值.

    算法一,可以根据动能原理求出位移.

    从第2s到第16的位移设为s,这期间,牵引力做功W1=P× Δt=9*(14-2) J=108 J,(只在第2s到第14秒做功),

    摩擦力做功W2=f2*s,

    在t=2s时,小车速度为v0=3 m/s,t=16 s时,速度为0,动能该变量为ΔE_k=-1/2*m×v0^2=-4.5 J,由动能原理:

    ΔE_k=W1+W2,

    即ΔE_k=W1+f2*s,

    所以,S=(ΔE_k-W1)/f2=(-4.5-108)/(-1.5)=75,

    其中第10s到第16s的位移为S3=v1*(14s-10s)+1/2*v1*(16s-14s)=30 m,

    所以,第2s到第10s的位移为S2=S-S3=40m.

    所以,加速期间的位移为40+3=43m.

    近似算法二:把第2s到第10s的v-t曲线分成4部分,每一部分可以近似当成梯形来计算面积.从途中可以看促,在t=4 s、6s、8s时,速度大致为4 m/s、5 m/s、5.5 m/s,在t=2 s、10s时,速度为3 m/s、6 m/s,所以,这部分面积为:

    (4+5+5.5+(3+6)/2)*2 m=38 m.

    近似算法三:在v-t曲线图上,连接点(2,3)、(10,6),速度曲线在这条线段上方,说明这期间的平均速度比始末时刻速度的平均值要大;由从图形可以看出,重点时刻(t=6s)时的速度比平均速度略大,故可以近似去平均速度为这两个速度的平均值,即以va=(5+(3+9)/2)/2 m/s=4.75 m/s作为平均速度,则位移为4.75*8 m=38 m.

    故加速期间的位移大约为3+38=41m.

    如果要求地2s到第10s的位移的精确值,可以这样做,(为叙述方便,以下都用国际单位并且把单位省略),

    牵引力和速度的关系为:v*f1=P=9,f1=9/v,

    小车受到的合力为:f=f1+f2=9/v-3,加速度为a=f/m=9/v-3,即

    dv/dt=9/v-3,

    这是一个常微分方程,其通解为:

    v(t) = 6*LambertW((1/6)*C1*exp(-(1/4)*t-1))+6,

    这里,函数LambertW(x)是方程y*exp(y) = x的解(后者的解有很多,取在0点解析的那一个作为LambertW(x)),C1为积分常数.

    根据初始条件v(2)=3算出积分常数C1=-3*e,所以

    v(t) = 6*LambertW(-(1/2)*exp(-(1/4)*t))+6,

    对t积分,(积分区间为[2,10]),得第2秒到10秒的位移为S2=39-24*LambertW(-(1/2)*exp(-5/2))-12*LambertW(-(1/2)*exp(-5/2))^2≈40,

    与近似值38差别不大,

    故加速期间的位移为40+3=43 (m).

    另外,速度满足的微分方程看,6 m/s是速度的上限,速度是永远不可能达到6 m/s的,(比如t=10s时的速度是5.74,比6略小;t=14s时的速度为5.91,也不是6),只是当t比较大时,速度非常接近6 m/s,因为测量时总有误差,微小的差别也就不考虑了.

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