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现在网上习题资源非常丰富,笔者的同事在一次出给学生的“适应性训练试题”中,直接从网上下载了一道关于机车以恒定功率启动的题目,内容如下:
一质量为500 t的机车,以恒定功率375 kW由静止出发,经过5 min速度达到最大值54 km/h,设机车所受阻力f恒定不变,取g=10 m/s2,试求:(1)机车受到的阻力f的大小.(2)机车在这5 min内行驶的路程.
这道题给出的参考答案是:
(1)已知P额=375 kW=3.75×105 W,vmax=54 km/h=15 m/s,根据P额=F·vmax时,得f=F,机车受到的阻力
f=P额vmax=3.75×10515 N=2.5×104 N.
(2)机车在这5 min内,牵引力为变力,做正功,阻力做负功,重力、弹力不做功.牵引力做的功为WF=P额t,根据动能定理有s=P额t-12mv2maxf,代入数值,解得s=2250 m.
然而我在在改试卷时候,发现部分学生的第二问的解答是这样:(2)机车的加速度a=Fm=2.5×1045×105=0.05 m/s2,
5分钟的位移
s=12at2=12×0.05×3002=2250 m,
或者另外解法,机车在5分钟做匀加速直线运动,
s=·t=0 vmax2·t=2250 m.
显然,第二问有问题,就是机车在5分钟内不是做匀加速运动,由P额=F·v,当功率一定时,v增大时,牵引力减小,由a=F-fm,加速度也应该随时间减小.所以机车应该做加速度越来越小的变加速运动.但是学生的错误解法居然和标准答案一样!考试下来有学生问我原因,有些学生甚至坚持自己的方法没有问题,我从v-t图象定性的说明了实际运动位移应和匀加速位移是有差别的,如图1.
显然,此题给的数据应该有问题,经过查找文献,我发现汽车保持功率不变的加速过程中,其经历的时间是速度的函数,这个函数可以通过求解微分方程得到.
F-f=ma,F=Pv,a=dvdt,
即Pv-f=mdvdt,
利用初始条件当t=0,v=0,
t=-mvf-mPf2ln(P-fv) mPf2lnP,
通过数值计算可知,当速度等于v=14.9 m/s(理论上是无限接近于15 m/s)时,时间t=1483 s (将近25分钟),而本题设置的5分钟(300 s),显然不符合物理运动规律!用t=1483 s代入题(2)问的正确计算方法中计算得到s=19995 m,的确是比2250 m大.但是对于高中学生来说,时间与速度的函数并不要求掌握,只需知道机车在功率不变的条件下是做加速度越来越小的加速运动,而不是匀加速运动,建议题目可将时间由5分钟修改为10分钟比较合理.
高中阶段,出题的人一般只设置计算特殊条件下,比如求平衡时的物理量.而对于题设条件是否自洽则重视不够,为了计算方便而随意设置条件,明显缺乏严谨与科学性.有时既会使学生陷入误区,也会使老师感到困惑,所以出此类问题时一定要注意题中的速度与时间的函数关系,做到题设条件自洽.
一质量为500 t的机车,以恒定功率375 kW由静止出发,经过5 min速度达到最大值54 km/h,设机车所受阻力f恒定不变,取g=10 m/s2,试求:(1)机车受到的阻力f的大小.(2)机车在这5 min内行驶的路程.
这道题给出的参考答案是:
(1)已知P额=375 kW=3.75×105 W,vmax=54 km/h=15 m/s,根据P额=F·vmax时,得f=F,机车受到的阻力
f=P额vmax=3.75×10515 N=2.5×104 N.
(2)机车在这5 min内,牵引力为变力,做正功,阻力做负功,重力、弹力不做功.牵引力做的功为WF=P额t,根据动能定理有s=P额t-12mv2maxf,代入数值,解得s=2250 m.
然而我在在改试卷时候,发现部分学生的第二问的解答是这样:(2)机车的加速度a=Fm=2.5×1045×105=0.05 m/s2,
5分钟的位移
s=12at2=12×0.05×3002=2250 m,
或者另外解法,机车在5分钟做匀加速直线运动,
s=·t=0 vmax2·t=2250 m.
显然,第二问有问题,就是机车在5分钟内不是做匀加速运动,由P额=F·v,当功率一定时,v增大时,牵引力减小,由a=F-fm,加速度也应该随时间减小.所以机车应该做加速度越来越小的变加速运动.但是学生的错误解法居然和标准答案一样!考试下来有学生问我原因,有些学生甚至坚持自己的方法没有问题,我从v-t图象定性的说明了实际运动位移应和匀加速位移是有差别的,如图1.
显然,此题给的数据应该有问题,经过查找文献,我发现汽车保持功率不变的加速过程中,其经历的时间是速度的函数,这个函数可以通过求解微分方程得到.
F-f=ma,F=Pv,a=dvdt,
即Pv-f=mdvdt,
利用初始条件当t=0,v=0,
t=-mvf-mPf2ln(P-fv) mPf2lnP,
通过数值计算可知,当速度等于v=14.9 m/s(理论上是无限接近于15 m/s)时,时间t=1483 s (将近25分钟),而本题设置的5分钟(300 s),显然不符合物理运动规律!用t=1483 s代入题(2)问的正确计算方法中计算得到s=19995 m,的确是比2250 m大.但是对于高中学生来说,时间与速度的函数并不要求掌握,只需知道机车在功率不变的条件下是做加速度越来越小的加速运动,而不是匀加速运动,建议题目可将时间由5分钟修改为10分钟比较合理.
高中阶段,出题的人一般只设置计算特殊条件下,比如求平衡时的物理量.而对于题设条件是否自洽则重视不够,为了计算方便而随意设置条件,明显缺乏严谨与科学性.有时既会使学生陷入误区,也会使老师感到困惑,所以出此类问题时一定要注意题中的速度与时间的函数关系,做到题设条件自洽.