Question

16．激流勇進(jìn)是游樂園常有的機(jī)動(dòng)游樂項(xiàng)目，其工作原理是由主動(dòng)輪將游船沿較長(zhǎng)的傾斜軌道提升至一定高度，然后船只從高處滑下，沖入水中，濺起很高且美麗的水花，整個(gè)過程刺激又有趣．其工作過程可以簡(jiǎn)化為如下情景：如圖所示，左側(cè)傾角α=30°的軌道AB（其長(zhǎng)L₁=30 m）上相互間隔安裝著主動(dòng)輪，主動(dòng)輪與游船間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ₁=$\frac{\sqrt{3}}{2}$=；右側(cè)傾角β=53°的軌道CD（其長(zhǎng)L₂=20 m）上相互間隔安裝著導(dǎo)向輪（不會(huì)提供動(dòng)力），導(dǎo)向輪與游船間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ₂=$\frac{41}{72}$；左右兩側(cè)軌道通過一段平滑軌道BC（其長(zhǎng)L₃=3m）相連，兩相鄰主動(dòng)輪（或?qū)�向輪）間的距離s₀=1m．長(zhǎng)為L(zhǎng)₀=2m的游船上坐著兩個(gè)游客，總質(zhì)量為180kg，從左側(cè)軌道如圖所示的位置由靜止開始被主動(dòng)輪帶動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)（主動(dòng)輪的半徑r=0.2m，恒定的角速度ω=10rad/s），達(dá)恒定的速率后，一直以此速率運(yùn)動(dòng)到游船尾部剛好與右側(cè)軌道的上端C點(diǎn)平齊的位置，之后在導(dǎo)向輪上向下滑動(dòng)．已知g=10m/s²，sin53°=0.8，cos53°=0.6．求：
（1）游船從軌道左側(cè)運(yùn)動(dòng)到右側(cè)底端（船頭剛好觸及水面）所用總時(shí)間；
（2）動(dòng)力裝置在游船達(dá)到恒定速率前后（沒有到達(dá)BC軌道）需增加的功率之比．

Answer 1

分析 （1）由牛頓第二定律求得加速和減速時(shí)的加速度，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求得時(shí)間；
（2）根據(jù)P=fv求得動(dòng)力裝置在游船達(dá)到恒定速率前后（沒有到達(dá)BC軌道）需增加的功率

解答 解：（1）游船加速上升階段，設(shè)其加速度為a₁，有牛頓第二定律有：
μ₁mgcos30°-mgsin30°=ma₁
代入數(shù)據(jù)解得：a₁=2.5m/s²
從靜止達(dá)到共同速度所用時(shí)間為t₁，上移的距離為x₁，有速度時(shí)間公式可得：v=a₁t₁
主動(dòng)輪的線速度為：v=ωr=0.2×10m/s=2m/s
聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)解得：t₁=0.8s
${x}_{1}=\frac{v}{2}{t}_{1}=0.8m$
勻速運(yùn)動(dòng)的位移為：x₂=L₁+L₃-x₃=（30+3-0.8）m=32.2m
勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為：${t}_{2}=\frac{{x}_{2}}{v}=\frac{32.2}{2}s=16.1s$
游船在右側(cè)軌道上運(yùn)價(jià)速運(yùn)動(dòng)，加速度為a₂，由牛頓第二定律有：
mgsinβ-μ₂mgcosβ=ma₂
代入數(shù)據(jù)解得：${a}_{2}=\frac{55}{12}m/{s}^{2}$
加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t₃，游船在右側(cè)軌道上發(fā)生的位移為：
${L}_{2}-{L}_{0}=v{t}_{3}+\frac{1}{2}{{a}_{2}t}_{3}^{2}$
聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)解得：t₃=2.4s
所需總時(shí)間為：t=t₁+t₂+t₃=19.3s
（2）游船達(dá)到恒定速率前動(dòng)力裝置增加的功率為：
P₁=f₁v=（μ₁mgcosα）v
游船達(dá)到恒定速率后動(dòng)力裝置增加的功率為：
P₂=f₂v=（mgsinα）v
動(dòng)力裝置在游船達(dá)到恒定速率前后（沒有到達(dá)BC軌道）需增加的功率之比：$\frac{{P}_{1}}{{P}_{2}}$=$\frac{3}{2}$
答：（1）游船從軌道左側(cè)運(yùn)動(dòng)到右側(cè)底端（船頭剛好觸及水面）所用總時(shí)間為19.3s；
（2）動(dòng)力裝置在游船達(dá)到恒定速率前后（沒有到達(dá)BC軌道）需增加的功率之比為3：2

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，關(guān)鍵是抓住運(yùn)動(dòng)過程的分析