例析与交通车辆有关的物理问题

物理知识在现代生活、社会生产、科学技术中有广泛的应用.下面以交通车辆为例，说明物理知识在实际生活中的应用.

1　驱动力

例1.在平直公路上前进的自行车，则

(A)前、后轮受到的摩擦力均向后.

(B)前轮受到的摩擦力向前，后轮受到的摩擦力向后.

(C)前轮受到的摩擦力向后，后轮受到的摩擦力向前.

(D)前、后轮受到的摩擦力均向前.

解析：自行车的后轮为驱动轮，前轮为从动轮.驱动轮所受的摩擦力为动力，从动轮所受的摩擦力为阻力.故正确答案为(C).

2　转弯与刹车

例2.摩托车以一定的速度在一条宽阔平直的道路上匀速行驶，突然发现前方有一堵墙，为了尽可能不碰到墙壁，摩托车手可以急刹车，也可以让车转弯，试比较哪种方法较好.

解析：是刹车好，还是转弯好，实际上是比较哪一种方法摩托车撞墙的可能性小.设摩托车匀速运动速度为v，质量为m，它与地面的动摩擦因数为μ，刹车过程是匀减速运动，直到停止.由动能定理有：-μmgs=0-mv[2]/2，s=v[2]/(2μg).转弯过程可看作是做匀速圆周运动，由摩擦力提供向心力：μmg=mv[2]/R，R=v[2]/(μg).可见摩托车急刹车滑行的距离s比转弯半径R短，说明摩托车急刹车撞墙的可能性小，故刹车比转弯好.

3　节能

例3.(2001年上海理科综合卷)随着人类能量消耗的迅速增加，如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务.图1是上海\"明珠线\"某轻轨车站的设计方案，与站台连接的轨道为一个小的坡度.请你从能量利用效率的角度，分析这种设计的优点.

图1

解析：从能量转化的角度来分析：列车进站时，利用上坡使部分动能转化为重力势能，减少因为刹车而损耗的机械能;列车出站时利用下坡把储存的重力势能又转化为动能，起到节能作用.

例4.(2001年广东、河南理科综合卷)用塑料部件代替金属部件可以减少汽车质量，从而可以节能.假设汽车使用塑料部件后质量变为原来的4/5，而其它性能不变.若车行驶所受的阻力与车的质量成正比，则与原来相比，使用塑料部件的汽车能节省________%的汽油.

解析：由题意，汽车质量变为原来的4/5，所受的阻力变为原来的4/5，运动相同的距离，消耗的能量变为原来的4/5，即消耗的汽油变为原来的4/5，故可节省20%的汽油.

4　测速仪

例5.(2001年上海高考题)图2(A)是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度，图2(B)中P[，1]、P[，2]是测速仪发出的超声波信号，n[，1]、n[，2]分别是P[，1]、P[，2]由汽车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描，P[，1]、P[，2]之间的时间间隔△t=1.0s，超声波在空气中传播的速度是v=340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图(B)可知，汽车在接收到P[，1]、P[，2]两个信号之间的时间内前进的距离是________m，汽车的速度是________m/S.

图2

解析：解该题的关键是将图(B)中测速仪的信息进行转化.由图(B)可知发出和接收到信号间的时间差在减小，说明小车向左运动.由题意，信号P[，1]、P[，2]之间30格为时间间隔1s，每格为1/30s，汽车在接受到P[，1]、P[，2]两信号间的时间内前进的距离等于汽车接受到P[，1]、P[，2]两信号时，超声波在空气中传播的路程差，而汽车接受到P[，1]、P[，2]信号所需时间分别为P[，1]n[，1]、P[，2]n[，2]时间间隔的一半，即为6格和4.5格，故s车=340×(6-4.5)×1/30m=17m，而汽车实际行驶时间为P[，1]n[，1]中点到P[，2]n[，2]的中点间的间隔为28.5格，故v车=s车/t=17/(28.5×1/30)m/s≈17.9m/s.

5　加速度计

例6.如图3所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，m是一个金属球，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为ι的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计，电阻丝的中点C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表V(金属丝和导线电阻不计).图中虚线OC与AB相垂直，且OC=h，电阻丝AB接在电压为E的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB沿着前进的方向，列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表的读数变化可以测出加速度的大小.

图3

(1)当列车向右作匀加速运动时，试写出加速度a与电压表读数U的对应关系.

(2)这个装置测得的最大加速度a为多大?

(3)为什么C点设置在金属丝AB的中间?对电压表的零刻度在表面上的位置应有什么要求?

解析：(1)设列车加速度为a时金属丝偏离竖直方向角θ，金属丝与电阻丝的接触点为D.由牛顿第二定律F合=mgtanθ=ma，a=gtanθ=gDC/h.由串联电路电压电阻关系有：U/E=R[，DC]/R[，AB]=DC/ι，即DC=Uι/E.由以上两式可得a=gιU/(Eh).

(2)加速度最大时D移到A点，U=E/2，故a最大=gι/(2h).

(3)C点设置在AB的中间的好处是：利用这个装置既可以测定列车作匀加速运动的加速度，也可以测定列车作匀减速运动的加速度.电压表的零刻度在表面上的中间位置.^

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