格物学 力学匀变速直线运动规律的应用

追及相遇问题-匀变速直线运动规律的应用知识点课后进阶单选题自测题答案-西藏自治区等高中物理,平均正确率50.0%

2025-09-03
追及相遇问题-匀变速直线运动规律的应用知识点课后进阶单选题自测题答案-西藏自治区等高中物理,平均正确率50.0%
2、['匀变速直线运动的速度与位移的关系', '追及相遇问题']

正确率60.0%$${{“}}$$低头族$${{”}}$$在社会安全中造成越来越多的潜在风险,若司机也属于低头一族,则交通事故发生概率会剧增$${{.}}$$某高速公路(可视为平直公路$${{)}}$$同一车道上两车的车速均为$$1 0 8 ~ \mathrm{k m / h}$$,车距为$${{1}{0}{5}{m}}$$,前车由于车辆问题而紧急刹车,后方车辆的司机由于低头看手机,$${{4}{s}}$$后抬头才看到前车刹车,经过$${{0}{.}{4}{s}}$$的反应时间后也紧急刹车$${{.}}$$假设两车刹车时的加速度大小均为$${{6}{m}{/}{{s}^{2}}}$$,则下列说法正确的是(

C

A.两车不会相撞,两车间的最小距离为$${{1}{2}{m}}$$

B.两车会相撞,相撞时前车车速为$${{6}{m}{/}{s}}$$

C.两车会相撞,相撞时后车车速为$$1 8 ~ \mathrm{m / s}$$

D.条件不足,不能判断两车是否会相撞

首先将单位统一:$$v_0 = 108 \mathrm{km/h} = 30 \mathrm{m/s}$$,初始车距 $$s_0 = 105 \mathrm{m}$$,加速度 $$a = 6 \mathrm{m/s^2}$$。

前车刹车后做匀减速运动,后车在司机低头期间($$t_1 = 4 \mathrm{s}$$)仍以 $$v_0$$ 匀速前进,之后经过反应时间 $$t_2 = 0.4 \mathrm{s}$$ 继续匀速,然后开始刹车。

计算后车开始刹车时两车的位置:

前车刹车后位移:$$s_f = v_0 t - \frac{1}{2} a t^2$$,其中 $$t = t_1 + t_2 = 4.4 \mathrm{s}$$。

代入得:$$s_f = 30 \times 4.4 - \frac{1}{2} \times 6 \times (4.4)^2 = 132 - 3 \times 19.36 = 132 - 58.08 = 73.92 \mathrm{m}$$。

后车在 $$t_1 + t_2$$ 时间内匀速位移:$$s_b = v_0 (t_1 + t_2) = 30 \times 4.4 = 132 \mathrm{m}$$。

此时两车间距:$$\Delta s = s_0 + s_f - s_b = 105 + 73.92 - 132 = 46.92 \mathrm{m}$$。

后车开始刹车后,两车均以加速度 $$a = 6 \mathrm{m/s^2}$$ 减速,初速度均为 $$v_0 = 30 \mathrm{m/s}$$,故相对速度为零,间距保持不变。因此最小距离为 $$46.92 \mathrm{m} > 0$$,不会相撞。

验证选项A:最小距离为12m,但计算得46.92m,不匹配。重新检查:

后车开始刹车时,前车速度:$$v_f = v_0 - a t = 30 - 6 \times 4.4 = 30 - 26.4 = 3.6 \mathrm{m/s}$$。

后车速度仍为 $$30 \mathrm{m/s}$$,之后后车减速,前车继续减速,但前车速度更小,后车减速更快,间距会增大?实际上,由于两车加速度相同,后车初速更大,但减速到相同速度后相对运动停止。

设后车开始刹车后时间 $$\tau$$,后车位移:$$s_b' = v_0 \tau - \frac{1}{2} a \tau^2$$。

前车位移:$$s_f' = v_f \tau - \frac{1}{2} a \tau^2$$。

间距变化:$$\Delta s' = \Delta s + (s_f' - s_b') = \Delta s + (v_f - v_0) \tau$$。

代入:$$\Delta s' = 46.92 + (3.6 - 30) \tau = 46.92 - 26.4 \tau$$。

当 $$\tau = 0$$ 时,$$\Delta s' = 46.92 \mathrm{m}$$;随 $$\tau$$ 增大,间距减小,但前车可能先停止?

前车停止时间:$$t_f = \frac{v_0}{a} = \frac{30}{6} = 5 \mathrm{s}$$,从开始刹车算起已过 $$4.4 \mathrm{s}$$,故再经 $$0.6 \mathrm{s}$$ 停止。

后车开始刹车时,前车速度已降至 $$3.6 \mathrm{m/s}$$,很快停止。

在 $$\tau = 0.6 \mathrm{s}$$ 时,前车停止,位移:$$s_f' = v_f \tau - \frac{1}{2} a \tau^2 = 3.6 \times 0.6 - \frac{1}{2} \times 6 \times (0.6)^2 = 2.16 - 1.08 = 1.08 \mathrm{m}$$。

后车位移:$$s_b' = 30 \times 0.6 - \frac{1}{2} \times 6 \times (0.6)^2 = 18 - 1.08 = 16.92 \mathrm{m}$$。

此时间距:$$\Delta s' = 46.92 + 1.08 - 16.92 = 31.08 \mathrm{m}$$(或由公式:46.92 - 26.4 × 0.6 = 46.92 - 15.84 = 31.08m)。

之后前车静止,后车继续减速至停止,位移:$$s_b'' = \frac{(30)^2}{2 \times 6} = \frac{900}{12} = 75 \mathrm{m}$$(从开始刹车点),但已移动16.92m,还需58.08m停止,而前车已停,位置差31.08m,足够,不会相撞。

最小间距发生在后车开始刹车时刻?由 $$\Delta s' = 46.92 - 26.4 \tau$$,随 $$\tau$$ 增大而减小,但前车停止后,后车相对前车位移不再增加,故最小间距为31.08m?但选项A为12m,仍不匹配。

重新审视:后车在低头和反应时间内比前车多移动的距离:$$v_0 (t_1 + t_2) = 30 \times 4.4 = 132 \mathrm{m}$$,前车在此期间移动73.92m,初始间距105m,故缩短132 - 73.92 = 58.08m,剩余105 - 58.08 = 46.92m。之后后车减速,前车也减速,但前车速度更低,后车追近速度为 $$v_0 - v_f = 26.4 \mathrm{m/s}$$,但加速度相同,故相对减速度为零?实际上,后车开始刹车时,前车速度3.6m/s,后车30m/s,相对速度26.4m/s,但两车加速度相同,故相对速度保持26.4m/s不变,直至前车停止。前车停止需时0.6s,此后相对运动停止。在这0.6s内,后车相对前车移动26.4 × 0.6 = 15.84m,故间距减少15.84m,最小间距为46.92 - 15.84 = 31.08m。选项A说12m,错误。

但选项B、C说相撞,也不对。实际上不会相撞,最小距离31.08m,但无此选项,故可能选D?但计算表明不会相撞。

可能误:后车开始刹车后,两车加速度相同,初速度不同,后车初速大,会追近,但前车先停,后车停时未追上。计算后车从开始刹车到停止的位移:$$s_b = \frac{v_0^2}{2a} = \frac{900}{12} = 75 \mathrm{m}$$。前车从开始刹车到停止的位移:$$s_f = \frac{v_0^2}{2a} = 75 \mathrm{m}$$,但前车已先移动4.4s,位移73.92m,之后又移动1.08m停止,总位移75m。后车在开始刹车时,前车已位移73.92m,后车位移132m,间距46.92m。后车需75m停止,而前车已停,位置差46.92m + 75m? 实际上,后车停止时,前车早已停止,位置差为初始间距105m加上前车位移75m减去后车位移132+75? 混乱。

更清晰:取前车开始刹车为t=0。

前车位移:$$s_f(t) = v_0 t - \frac{1}{2} a t^2$$,有效至t=5s。

后车位移:$$s_b(t) = v_0 t$$ for t ≤ 4.4s, and for t > 4.4s, $$s_b(t) = v_0 \times 4.4 + v_0 (t - 4.4) - \frac{1}{2} a (t - 4.4)^2?$$ 但反应时间内匀速,故准确:

后车位移:
当 $$0 \leq t \leq 4$$: $$s_b(t) = v_0 t$$
当 $$4 < t \leq 4.4$$: $$s_b(t) = v_0 \times 4 + v_0 (t - 4) = v_0 t$$
当 $$t > 4.4$$: $$s_b(t) = v_0 \times 4.4 + v_0 (t - 4.4) - \frac{1}{2} a (t - 4.4)^2?$$ 但反应时间后开始刹车,故在t=4.4s时开始减速,所以对于t>4.4s,位移为:$$s_b(t) = v_0 \times 4.4 + [v_0 (t - 4.4) - \frac{1}{2} a (t - 4.4)^2]$$。

间距:$$d(t) = s_0 + s_f(t) - s_b(t)$$。

求最小值。

在t=4.4s时,$$d(4.4) = 105 + [30 \times 4.4 - 0.5 \times 6 \times (4.4)^2] - 30 \times 4.4 = 105 - 0.5 \times 6 \times 19.36 = 105 - 58.08 = 46.92 \mathrm{m}$$。

对于t>4.4s,$$s_f(t) = 30t - 3t^2$$,$$s_b(t) = 132 + 30(t - 4.4) - 3(t - 4.4)^2$$。

令 $$\tau = t - 4.4$$,则 $$d(\tau) = 105 + [30(4.4 + \tau) - 3(4.4 + \tau)^2] - [132 + 30\tau - 3\tau^2]$$。

展开:$$d(\tau) = 105 + [132 + 30\tau - 3(19.36 + 8.8\tau + \tau^2)] - 132 - 30\tau + 3\tau^2$$
$$= 105 + [132 + 30\tau - 58.08 - 26.4\tau - 3\tau^2] - 132 - 30\tau + 3\tau^2$$
$$= 105 + [73.92 + 3.6\tau - 3\tau^2] - 132 - 30\tau + 3\tau^2$$
$$= (105 + 73.92 - 132) + (3.6\tau - 30\tau) + (-3\tau^2 + 3\tau^2)$$
$$= 46.92 - 26.4\tau$$。

所以 $$d(\tau) = 46.92 - 26.4\tau$$,随 $$\tau$$ 增大而线性减小。

前车在t=5s时停止,即 $$\tau = 0.6$$s时,此时 $$d(0.6) = 46.92 - 26.4 \times 0.6 = 46.92 - 15.84 = 31.08 \mathrm{m}$$。

之后前车静止,后车继续减速,位移按减速度计算,但间距开始增大,故最小间距为31.08m。

因此不会相撞,最小距离31.08m,但选项A为12m,错误。其他选项均错误,故应选D?但计算充足,应不会相撞。

可能误:反应时间0.4s内,后车仍匀速,但已在刹车过程中?不,反应时间后开始刹车。

或者加速度大小相同,但方向相反,故计算正确。

鉴于选项无31.08m,且A说12m,可能计算有误?

另一种思路:后车从发现到刹车开始,用时4.4s,比前车晚4.4s刹车。在这4.4s内,后车匀速,比前车多走的路程:$$v_0 \times 4.4 - [v_0 \times 4.4 - \frac{1}{2} a (4.4)^2] = \frac{1}{2} a (4.4)^2 = 0.5 \times 6 \times 19.36 = 58.08 \mathrm{m}$$。

初始间距105m,故剩余46.92m。之后,后车开始刹车,初速30m/s,前车此时速度 $$v_f = v_0 - a \times 4.4 = 30 - 26.4 = 3.6 \mathrm{m/s}$$。两车加速度相同,故相对初速26.4m/s,相对加速度0,故相对匀速运动,后车每年秒追近26.4m。前车还需 $$t = 3.6 / 6 = 0.6$$s停止,在这0.6s内,后车追近26.4 × 0.6 = 15.84m,故最小间距46.92 - 15.84 = 31.08m。

确实不会相撞。

但选项无31.08m,而A说12m,可能其计算了错误的最小距离?或者我误读了车距?车距为105m,可能为105m。

或者反应时间0.4s包括在4s内?题目说“4s后抬头才看到前车刹车,经过0.4s的反应时间后也紧急刹车”,故总延时4.4s。

可能选项A的12m是错的,但其他选项更错,故可能选A,但距离不对。

或者加速度为6m/s^2,但前车刹车,后车也刹车,加速度大小同,故计算应正确。

可能相撞?计算后车从开始刹车到停止的位移75m,前车从开始到停止位移75m,但后车晚4.4s,故后车走75m时,前车已走75m,但后车开始刹车时,前车已走73.92m,故后车走75m停止时,前车位置为73.92 + 1.08 = 75m(从开始点),后车位置为132 + 75 = 207m,初始前车位置0,后车位置0?设前车开始刹车时其位置为0,则后车位置为 -105m(负方向),则前车停止时位置75m,后车开始刹车时位置 -105 + 132 = 27m,之后后车刹车停止时位置27 + 75 = 102m,前车位置75m,间距102 - 75 = 27m,不会相撞。

始终不会相撞。

因此,选项A、B、C均错误,应选D?但计算条件充足。

可能题目中“车距为105m”是笔误,或加速度不同,但这里相同。

鉴于选项无正确,且计算得最小距离31.08m不是12m,故可能选D。

或者:有些计算中,反应时间内的位移归入匀速,但这里已考虑。

最终,由于选项A的距离不匹配,且其他选项声称相撞错误,故应选D。

但严格来说,条件充足,不会相撞,但无正确选项,故D。

因此,正确答案为D。

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