高考物理 交通 17页

2009年高考物理热点分析交通一、背景材料几年来，中国交通运输从过去的封闭和垄断走向了开放和竞争，百姓对交通工具、运输方式有了更大的选择余地，运输服务质量明显提高.货物运输走向规模化、专业化、快速化，旅客运输更加高速、舒适、便捷.过去的几年里，中国交通物流产业取得了长足进步，已经成为亚洲市场的重中之重。公路运输量大幅度增长，高速公路发展突飞猛进；铁路运输业务繁忙，发展前景广阔；航空运输业发展速度较快，位于各行业之首；水路运输增长势头强劲，市场需求旺盛；管道运输后来居上，实现突破性发展；政策环境和投资环境均有较大改善.公路密度、通达深度以及中西部地区公路通达条件进一步提高，伴随公路里程的增长，高速公路飞速发展，年均增长百分之四十以上，跃居世界第二位.“村村通”方便了广大农民.当您准备从深圳起身前往北京，您会发现众多快速列车中有一种以英文字母“D”打头的新型列车，它的外型犹如“子弹头”，时速可以达到200公里甚至更高，而以往漫漫24小时的旅途也突然间缩短了许多，下午出发，睡个好觉，第二天一大早目的地就在眼前了。而这一切都要归功于2007年4月18日将\n全面展开的全国铁路第六次大提速.据铁道部消息，大提速后，不仅京广、京九线速度将得到大幅提高，而且在以广州、深圳为中心的珠三角城市群也将开行高密度的城际快速客车，广深直达列车全程只需55分钟，此外从广州始发至浙江、上海、江苏的列车将缩时一半，实现夕发朝至.这意味着中国铁路以此为起点，将进入全新的高速列车时代.二、考点链接改革开放以来，我国交通运输对国民经济的“瓶颈”制约状况明显缓解，交通运输业步入了发展的黄金时期.各种各样的交通工具为我们现代生活和生产带来了极大的方便．而以交通工具运行和交通事故为背景的物理问题及相关综合题在各类考试中层出不穷.因为这类问题不仅能考查力、电和磁等主干知识，不能考查学运用物理知识解决实际问题的能力．预测今后的高考中还可能出现.三、例题分析例1．铁路列车与其它车辆的运行方式不同，列车自重加载重达千余吨甚至数千吨，列车奔驰在轨道上时的动能很大。当铁路机车司机驾驶机车发现前方有险情或障碍物时，从采取紧急刹车的地点开始至列车停止地点为止，这段距离称之为制动距离。制动距离不仅与列车重量有关，还与列车的行驶速度密切相关。目前，我国一般的普通列车行驶的速度约为v01＝80km/h，其制动距离为s0＝800m左右，提速后的\n“K”字号的快速列车，行驶时的速度均超过100km/h。今后，随着列车不断地提速，速度v02将达到120～140km/h，其制动距离也将相应加大，这么长的制动距离无疑是对行车安全提出了更高的要求。目前，上海地区的铁路与公路（道路）平交道口就有240余处，行人和车辆在穿越平交道口时，要充分注意到火车的制动距离，以保证安全。求（假设列车的制动加速度不变）：（1）我国一般的普通快车的制动加速度为多少？（2）提速后的“K”字号列车的制动距离至少为多少？（3）当火车时速达到v02＝140km/h时，在铁路与公路的平交道口处，为保证行人和车辆的安全，道口处的报警装置或栅栏至少应提前多少时间报警或放下？解析：（1）普通列车的制动过程是一个匀减速直线运动，利用运动学公式代入数据解得：a＝－0.309m/s2。（2）列车提速后的制动加速度还是原来的数值，利用运动学公式代入数据解得：s＝1250m。\n（3）本问中隐含的内容是：在安全栅栏放下的瞬时，若道口处有险情，列车同时刹车，将最终停止在道口处。根据运动学公式代入数据解得：t＝126s。例2．为了安全，在公路上行驶的汽车之间应保持必要的距离。已知某高速公路的最高限速v=120km/h。假设前方车辆突然停止，后车司机从发现这一情况，经操纵刹车，到汽车开始减速所经历的时间（即反应时间）t=0.50s。刹车时汽车受到阻力的大小f为汽车重力的0.40倍。该高速公路上汽车间的距离s至少应为多少？取重力加速度g=10m/s2。解析：在反应时间内，汽车做匀速运动，距离为s1=vt=(120×103/3600)×0.5=50/3m，汽车刹车过程，车做匀减速直线运动，由牛顿第二定律有kmg=ma，a=4m/s2，汽车运动的距离s2=v2/2a=1250/9m，所以所求的距离s=s1+s2=50/3+1250/9=1400/9≈1.6×102m。例3．（2002年上海考题）铁路提速，要解决许多技术问题．通常，列车阻力与速度平方成正比，即Ff=kv2．列车要跑得快，必须用大功率的机车来牵引．（1）试计算列车分别以120km/h和40km/h的速度匀速行驶时，机车功率大小的比值（提示：物理学中重要的公式有F=ma，W=Fs，P=Fv，s=v0t+at2）．\n（2）除上题涉及的问题外，还有许多其他技术问题需要解决．例如：为了减少列车在高速行驶中的振动，需要把原先的有接缝轨道改为无接缝轨道．请你再举一例，并简要说明．解析：（1）列车匀速运动时牵引力F与受阻力Ff相等，且F=Ff，而Ff=kv2，则P=F·v=kv3，代入v1=120km/h，v2=40km/h可得P1/P2=27/1（2）在轨道（弯道）半径一定的情况下，火车速度越大，所需向心力越大，通过增大弯道半径可以减小向心力．例4．（2005年全国春考题）下雪天，卡车在笔直的高速公路上匀速行驶，司机突然发现前方停着一辆故障车，他将刹车踩到底，车轮被抱死，但卡车仍向前滑行，并撞上故障车，且推着它共同滑行一段距离后停下，事故发生后，经测量，卡车刹车时与故障车距离为L，撞车后共同滑行的距离，假定两车轮胎与雪地之间的动摩擦因数相同，已知卡车质量M为故障车质量的4倍。（1）设卡车与故障车相撞前的速度为，两车相撞后的速度变为，求；（2）卡车司机至少在距故障车多远处采取同样的紧急刹车措施，事故就能免于发生。解析：①由碰撞过程动量守恒则\n②设卡车刹车前速度为，轮胎与雪地之间的动摩擦因数为，两车相撞前卡车动能变化③碰撞后两车共同向前滑动，动能变化由②式得，由③式得又因，得如果卡车滑到故障车前就停止，由故例5．2006年7月1日，世界上海拔最高、线路最长的青藏铁路全线通车，青藏铁路多种装置运用了电磁感应原理，有一种电磁装置可以向控制中心传输信号以确定火车的位置和运动状态，原理是将能产生匀强磁场的磁铁安装在火车首节车厢下面，如图1甲所示（府视图），当它经过安放在两铁轨间的线圈时，线圈便产生一个电信号传输给控制中心，线圈子宽为，长为，匝数为，线圈和传输线的电阻忽略不计，若火车通过线圈时，控制中心接收到线圈两端的电压信号与时间的关系如图1乙所示（、均为直线），则火车在～内A．做匀加速直线运动B．做匀速直线运动C．加速度D．平均速度为\n图1解析：安装在火车首节车厢下面匀强磁场通过线圈时，产生的感应电动势为E=n，若火车匀加速运动，则，所以E=nB，所以选项A正确；由图11可知，，联立两式得加速度，所以选项C正确。例6．（2008年天津理综卷考题)磁悬浮列车是一种高速低耗的新型交通工具．它的驱动系统简化为如下模型，固定在列车下端的动力绕组可视为一个矩形纯电阻金属框，电阻为R，金属框置于xOy平面内，长边MN长为l，平行于y轴，宽为d的NP边平行于x轴，如图2所示。列车轨道沿Ox方向，轨道区域内存在垂直于金属框平面的磁场，磁感应强度B沿Ox方向按正弦规律分布，其空间周期为λ，最大值为B0，如图3所示，金属框同一长边上各处的磁感应强度相同，整个磁场以速度v0沿Ox方向匀速平移。设在短暂时间内，MN、PQ边所在位置的磁感应强度图2随时间的变化可以忽略，并忽略一切阻力。列车在驱动系统作用下沿Ox方向加速行驶，某时刻速度为v(vV，所以在时间内MN边扫过磁场的面积在此时间内，MN边左侧穿过S的磁通移进金属框而引起框内磁通量变化\n同理，该时间内，PQ边左侧移出金属框的磁通引起框内磁通量变化故在内金属框所围面积的磁通量变化根据法拉第电磁感应定律，金属框中的感应电动势大小根据闭合电路欧姆定律根据安培力公式，MN边所受的安培力PQ边所受的安培力根据左手定则，MN、PQ边所受的安培力方向相同，此时列车驱动力的大小联立解得四、相关练习及参考答案1．在高速公路的拐弯处，路面修得外高内低，即当车向右拐弯时，司机左侧的路面比右侧的要高一些，路面与水平面间的夹角为θ设拐弯路段是半径为R的圆弧，要使车速为v时车轮与路面之间的横向(即垂直于前进方向)摩擦力等于零，θ应等于()\n2．铁道部决定在前3次火车提速的基础上还将实行三次大提速,旅客列车在500km左右实现“夕发朝至”,进一步适应旅客要求.为了适应提速的要求()A.机车的功率可保持不变B.机车的功率必须增大C.铁路转弯处的路基坡度应加大D.铁路转弯处的路基坡度应减小3．铁路提速，要解决许多技术问题。通常，列车阻力与速度平方成正比，即f=kv2，k为阻力系数为定值。列车要跑得快，须用大功率的机车来牵引。若列车以72km/h的速度匀速行驶时，机车的输出功率为2.4×106w，现将列车提速到108km/h匀速行驶，则机动车功率要增加瓦？5.7×1064．铁道部第三次进行铁路大提速后，石家庄到太原（石太线）依然未能实现提速。原因主要是石太线上弯道太多，改造工程太大。设某段铁路转弯半径为r，火车行驶速度为v，那么该弯道上铁道内外轨所在平面与水平面的夹角α应该等于，如果不改变α而强行提速，车轮将对铁道的轨产生侧向挤压而造成事故。\n5．铁路转弯处的圆弧半径是300m，轨距是1435mm。规定火车通过这里的速度是72km/h，内外轨的高度差应该多大，才能使外轨不受轮缘的挤压？如果车速大于或小于72km/h会有什么现象发生？说明理由012345P1P2n1n2AB图4a图4b6．超声波遇到障碍物会发生反射，测速仪发出并接收反射回来的超声波脉冲信号，根据发出和接收到的时间差，测出汽车的速度。图4（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时间差，测出汽车的速度。图4（b）中是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描，p1、、p2之间的时间间隔Δt＝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p1、、p2两个信号之间的时间内前进的距离是m，汽车的速度是_____________m/s车站7．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5是上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案，与站台连接的轨道有一个小的坡度，请你从提高能量利用效率的角度，分析这种设计的优点。图5\n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，减少因为刹车而损失的机械能；列车出站时利用下坡把储存的重力势能又转化为动能，起到节能的作用。8.在某市区内，一辆小汽车在平直公路上以速度vA向东匀速行驶，一位观光游客正由南向北从斑马线上横过马路，汽车司机发现前方有危险（游客正在D处向北走）经0.7s作出反应，从A点开始紧急刹车，但仍将正步行至B处的游客撞伤，该汽车最终在C处停下.为了清晰了解事故现场，现以图6示之：C西A南北东DB17.5m14.0m起始刹车点停车点斑马线为了判断汽车司机是否超速行驶，并测出肇事汽车速度vA，警方派一车胎磨损情况与肇事车相当的车以法定最高速度vm=14.0m/s行驶在同一马路的同一地段，在肇事汽车的出事点B急刹车，恰好也在C点停下来.在事故现场测得AB=17.5m、BC=14.0m、BD=2.6m，问：图6(1)该肇事汽车的初速度vA是多大？(2)游客横过马路的速度是多大？9．\n为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如图7甲的装置，它是由一块安装在列车车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量记录仪组成（记录测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。如图7乙所示，假设磁体端部磁感应强度B=0.004T，且全部集中在端面范围内，与端面相垂直。磁体的宽度与线圈的宽度相同，且都很小，线圈匝数n，长l=0.2m，电阻R=0.4Ω（包括引出线的电阻），测试记录下来的电流——位移图，如图7丙所示。i／A（甲）线圈Ⅰ线圈Ⅱ磁体接测量仪器××××××（乙）B←s→1030507090110130204-06080100120140S／m（丙）0.150.100.050-0.15-0.10-0.05图7（1）试计算在离Q（原点）30m、130m处列车的速度v1和v2的大小。（2）假设列车作的是匀加速直线运动，求列车加速度的大小。\n10．提高铁路运行时速是人们孜孜以求的。1966年，有人建议利用超导磁体和路基导体中的感应电流之间的磁力把列车悬浮起来运行，如图8所示，在车辆底部安装超导磁体，在轨道两旁埋设一系列闭合的铝环。当列车运行时，超导磁体产生的磁场相对于铝环运动，列车凌空浮起，使车与轨道间的摩擦车上悬浮装置闭合铝环减少到零，如果要进一步减小运行中受到的空气阻力，可以使列车在抽成真空的地下隧道中行驶。由于阻力极小，车速可高达1000m/s。当然列车启动与停站均需有一个变速过程。设绝大多数乘客的生理能承受0.1g（g为重力加速度）的加速度。图8（1）分析使列车浮起的力的原因。（2）假设从东海之滨的上海到西域名城乌鲁木齐之间有这样的一条笔直的地下隧道。估计轨道的长度最接近于下列哪个数值？A.500kmB.1000kmC.4000kmD.8000km（3）乘坐超高速客车沿上述线路完成横跨祖国东西的漫长旅行最短时间是多少？（4）设列车的质量为5×105kg，由于阻力极小，列车只需在加速阶段做功，而减速过程甚至可以利用特定装置回收列车释放的动能，把节省的能量用于产生真空，实现磁浮。试求上述运行每次可回收的能量。参考答案：1．B2．BC3．5.7×1064．，外\n5．解：火车转弯时所需的向心力由重力和支持力的合力提供。F=mgtanα=mv/rtanα=v/gr近似认为tanα=sinα=h/d带入上式：h/d=v/rgh=vd/rg=（20×1.435）/（300×9.8）=0.195m6．解：本题由阅读图4（b）后，无法让人在大脑中直接形成测速仪发射和接受超声波以及两个超声波在传播过程中量值关系形象的物理图象。只有仔细地分析图4（b）各符号的要素，深刻地思考才会在大脑中形成测速仪在P1时刻发出的超声波，经汽车反射后经过t1=0.4S接收到信号，在P2时刻发出的超声波，经汽车反射后经过t2=0.3S接收到信号的形象的物理情景图象。根据这些信息很容易给出如下解答：汽车在接收到p1、、p2两个信号之间的时间内前进的距离是:S=V（t1-t2）/2=17m，汽车通过这一位移所用的时间t=Δt-（t1-t2）/2=0.95S.所以汽车的速度是.7．解：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，减少因为刹车而损失的机械能；列车出站时利用下坡把储存的重力势能又转化为动能，起到节能的作用。8．解:(1)以警车为研究对象，则:将v0=14.0m/s，s=14.0m，v\n=0代入得警车刹车加速度大小为:a=7.0m/s2，因为警车行驶条件与肇事汽车相同,则肇事汽车的加速度a/=a=μg=7.0m/s2.所以肇事汽车的初速度vA=.(2)肇事汽车在出事点B的速度:肇事汽车通过sAB段的平均速度:9．解：（1）列车车头底部的强磁铁通过线圈时，在线圈中产生感应电动势和感应电流，感应电流大小为I=nBlv／R代入数据可算出：v1=I1RnBl=12m/sv2=I2RnBl=15m/s从图中可读出距O点30m、130m处的电流分别为I1=0.12A，I2=0.15A，（2）根据匀变速运动公式a=(v22-v12)／2s，从图中读出s=100m，所以a=0.405m/s2.10．解析：（1）列车运行时，车上的超导磁体相对于铝环运动，铝环中磁通量变化而产生感应电流，感应电流磁场与超导磁体磁场相互作用，对车辆产生向上的力克服重力而使车凌空浮起。（2）地球的半径R=6400km，地球的周长约为S=40000km，在同一经度上，相隔10的两纬线之间距离为(40000／360)km=111km。纬度300的纬线长为(40000cos300\n)km=34640km。在纬度300的纬度上，相隔经度10的两经线之间的距离为(34640／360)km=96km。上海和乌鲁木齐之间的纬度差约150，经度差约350。由勾股定理可得两地之间距离为：(111×15)2+(96×35)2km=3750km故应选C。10000.1×10sva＝＝1000st1＝12×1×10002m＝500km12at12＝s1＝＝，（3）高速客车的运动可分加速、匀速和减速三个阶段。设加速阶段所用的时间为t1，运动位移为s1，则同样可求出减速阶段所用时间t3=1000s，位移s3=500km。因此，匀速行驶的距离为3000km，时间t2=（3000×103）／1000s=3000s，故t=t1+t2+t3=5000s。（4）减速过程中动能的减少为（1/2）mv2=（1／2）×5×103×10002J=2.5×109J，故每次可回收的能量为2.5×109J。