高中物理机车启动模型恒定功率启动时间分析
课下学堂 2016-12-01 00:01
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机车启动问题是高考比较喜欢考的一个问题,启动分为恒定加速度启动与恒定功率启动,对于后者大家在高一初学的时候一定思考过这样一个问题可:以恒定功率启动,什么时候达到最大速度?这个问题老师没有讲,参考书上也没有说,做题的时候题目就直接“突兀”地把达到最大速度的时间直接给出来了。
最近在做试卷的时候又遇到了这个问题,花了些时间完整地推了一遍式子,把高一没想明白的心结给了结了,所以在知乎上写篇文章,权当做笔记。
题目如下:
某兴趣小组对一辆自制遥控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程记录下来,通过处理转化为v-t图像,如图所示(除2~10 s 时间段内的图像为曲线外,其余时间段图像均为直线).已知小车运动的过程中,2~14 s 时间段内小车的功率保持不变,在14 s末停止遥控而让小车自由滑行.小车的质量为1 kg,可认为在整个过程中小车所受到的阻力大小不变。
题目非常常规也非常简单,但有趣的是,为什么在10 s的时候机车就达到了最大速度3 m/s呢?
首先
直接移项之后得到
剩下的就要用到高等数学的知识了
这个一个可分离变量的微分方程,比较好解
由于微积分运算很不熟练,等号右边的积分式子算了半天,在此做个详细笔记,以免以后又要重新推一遍。
其中C是常量
故
如果一开始就是以恒定功率启动,那么t=0时,v=0,带入求得
......①
如果先以某一恒定加速度a启动,达到最大功率后以最大功率启动,则有
其中
从①式中我们看到v并不能直接写成关于t的函数,只能用隐函数表示。不过分析式子发现,P-vf>0,即v
P/f时候,t->+∞,也就是说机车如果按照恒定功率启动永远达不到 理论 最大速度
回到上面的题目,题目可以得出P=2.25W,f=0.75N
如果当t=10s时,直接用Mathematica求出v≈2.9m/s,只达到了最大速度的97%
用mathematica绘制图像如下(mma不是很熟练,不知道怎么绘制反函数的图像,尝试过用ContourPlot,但是不行,如有知道的请评论告知,谢谢):
Plot[t = 2.25/0.75^2*Log[2.25/(2.25 - v*0.75)] - v/0.75, {v, 0, 3.1}]
所以出题者只需要把达到最大速度的时间越往大的编越好,因为机车永远达不到最大速度。
所以如果按照严格的物理模型来看老师常说机车先做变加速运动,达到最大速度(P/f)后做匀速运动这句话是错误的,只有在近似状况下是成立的。