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列车载重时直接向前起动有困难,司机常常先倒车再起动前进.设在平直轨道上的某机车后面挂接有n节车厢,机车与每节车厢的质量都为m,它们所受的阻力都为自身重力的k倍.倒车后各节车厢间的挂钩所留间隙均为d,如图16(1)所示.在这种情况下,机车以恒定的牵引力F由静止开始起动,机车及各车厢间挂接的时间极短,挂接后挂钩的状态如图16(2)所示.求:

图16(1)

图16(2)

(1)第一节车厢刚被带动时列车的速度;

(2)最后一节车厢刚被带动时列车的速度;

(3)要想使最后一节车厢也能被带动起来,机车牵引力F的最小值.

答案

解析:(1)挂接第一节车厢前,由动能定理

(F-kmg)d=mv12-0                                       ①

    挂接第一节车厢的过程中,由动量守恒mv1′=2mv1              

    由①②得:v1=                            ③

(2)挂接第二节车厢前,由动能定理

(F-k·2mg)·d=×2mv22-×2mv12                                 

    挂接第二节车厢的过程中,由动量守恒2mv2′=3mv2            

    由③④⑤得:v2=                         

    挂接第三节车厢前,由动能定理

(F-k·3mg)·d=×3mv32-×3mv22                                 

    挂接第三节车厢的过程中,由动量守恒3mv3′=4mv3            

    由⑥⑦⑧可得:v3=                      ⑨

    同理可知,第n节车厢刚被带动时的速度

vn=.                                ⑩

(3)要求vn≥0,由⑩式可知,即要求-kg≥0

    所以F≥kmg.

答案:(1) 

(2)

(3)kmg

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