隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)十分普及。汽車運行過程中的物理問題已成為高中物理在實際生活中運用的一個重點，同時也是同學(xué)們在學(xué)習(xí)中的一個 難點。為了啟發(fā)同學(xué)們思考，現(xiàn)將此類問題分析整理如下:

一、汽車的牽引力(驅(qū)動力)

汽車的牽引力F源自于汽車的內(nèi)燃發(fā)動機帶動前或后輪轉(zhuǎn)動時在車輪與地面接觸的切點處，沿車輪轉(zhuǎn)動的切線的反方向?qū)Φ孛嫠┑哪Σ亮?如圖1)，此摩擦力應(yīng)為靜摩擦力，作用點在驅(qū)動輪上(輪與地面接觸的切點)，此作用點隨輪的轉(zhuǎn)動不斷改變。如果驅(qū)動輪打滑汽車就失去了牽引力不能前進?，F(xiàn)在國內(nèi)的汽車有前驅(qū)動的，有后驅(qū)動的，也有前后驅(qū)動的，都同此理。牽引力F的大小與車輪、地面的材料、接觸程度和壓力有關(guān)，也與汽車發(fā)動機的功率P(驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速)有關(guān)。

二、汽車運行過程

汽車在平直路面上行駛，一般可分為啟動、正常行駛和制動減速停止三個過程。在行駛過程中滿足:P=Fv。v為汽車運行速度。發(fā)動機的功率即牽引力的功率。由于力與速度方向相同，P=Fv。如果發(fā)動機保持牽引力不變，則功率將隨運行速率增大而增加。但發(fā)動機的功率的增大是有一定限度的，發(fā)動機實際功率不能超過其額定功率。當(dāng)發(fā)動機達到額定功率并保持功率不變運行時，其牽引力與運行的速率成反比。因此，汽車以恒定的加速度a做勻加速運動只能維持到速度增加到某一極值v1。若汽車的質(zhì)量為m，汽車運行中所受阻力為F2，則牽引力F1=F2+ma，可知v1=P/(F2+ma)。當(dāng)汽車速度達到v1之后，車速仍可增大(因為牽引力大于阻力)，但隨著速度增大，牽引力將減小到與阻力大小相等，得v2=P額/F2。顯然車速達到最大速度之前，必然經(jīng)歷一段加速度逐漸減小的加速運動，直至加速度減為零。尤其是汽車以恒定功率開始運動到達最大速度的過程，汽車始終做變加速運動。勻變速運動的運動學(xué)公式不能應(yīng)用此類問題。例如汽車以恒定功率運動，在t秒內(nèi)速度由v1增加到v2。其速度圖線如圖2中曲線所示，曲線的斜率逐漸變小，反映了汽車的加速度逐漸減小。由于圖線下的面積反映了位移，汽車在這段時間內(nèi)的位移顯然大于(v1+v2)t/2，即大于按勻變速直線運動公式所求得的位移。

需要注意的是，在上述討論汽車的運動的公式中，F(xiàn)2代表汽車所受的阻力，即所有阻礙汽車運動的力，不要將它與摩擦阻力等同。其實更嚴格地說，F(xiàn)2代表汽車所受各種外力中，除了牽引力F1之外所有其他力的合力。

1.汽車的啟動過程

汽車的啟動問題可分為兩類:一類是以恒定功率啟動，另一類是以恒定牽引力啟動;

(1)以恒定功率啟動

因為P一定，據(jù)P=Fv可知，v↑，所以F↓。當(dāng)F=Ff時，汽車的加速度a=0，此時汽車的速度達到最大值vm。

在以恒定功率啟動的過程中，汽車的運動具有以下特點:

①汽車在啟動過程中先做加速度不斷減小的加速運動，同時牽引力變小，當(dāng)牽引力等于阻力時，汽車開始以最大速度做勻速直線運動。

②汽車在啟動的過程中的功率始終等于汽車的額定功率。

③汽車的牽引力F和阻力Ff始終滿足牛頓第二定律F-Ff=ma。

④汽車的牽引力F和瞬時速度v始終滿足P=P額=Fv。

⑤在啟動過程結(jié)束時，因為牽引力和阻力平衡，此時有P額=Fvm=F f vm

⑥從能的角度看，啟動過程中牽引力所做的功一方面用以克服阻力做功，另一方面增加汽車的動能，即W牽=mv2/2+W阻

(2)以恒定牽引力啟動

汽車以恒定的牽引力啟動時，汽車的加速度恒定，若汽車受到的阻力是不變的，根據(jù)牛頓第二定律F-Ff =ma可知，加速度a恒定，汽車的瞬時速度vt=vo+at(vo=0)，汽車做勻加速直線運動，實際功率Pt=Fvt，隨著時間的推移，實際功率Pt將不斷增大，由于汽車的實際功率不能超過其額定功率，汽車的勻加速直線運動只能維持到其實際功率等于其額定功率時，此時汽車的速度達到它勻加速直線運動階段的最大速度v1m，其后汽車只能以額定功率啟動的方式進行再加速，其運動方式和第一種啟動方式完全相同，即汽車繼續(xù)做加速度越來越小的變加速直線運動，直到汽車進入勻速直線運動狀態(tài)，直到達到最終的最大速度vm。

這一啟動方式具有下列特點:

①汽車的啟動過程經(jīng)歷了兩個階段:一是勻加速直線運動狀態(tài)，二是變加速直線運動狀態(tài)，最終做勻速直線運動。

②汽車在勻加速直線運動階段，汽車的瞬時速度vt=vo+at(vo=0)，汽車做勻加速直線運動所能維持的時間t1=v1m/a。

③汽車做勻加速直線運動階段，汽車的瞬時功率Pt=Fvt

④汽車在勻加速直線運動階段結(jié)束時，瞬時功率Pt等于額定功率P額，且滿足Pt=P額=Fv1m。

⑤汽車在變加速直線運動階段功率恒為額定功率，進入勻速直線運動時牽引力和阻力平衡，有Pt=P額=Ff vm。

⑥從能的角度看，勻加速直線運動階段W牽1=F1·S1=mv1m2/2(其中W牽1、S1分別表示勻加速直線運動階段牽引力做的功、位移)。

2.正常行駛過程

啟動結(jié)束時汽車速度達到最大，F(xiàn)1與Ff平衡，a=0，汽車以最大速度vm做勻速直線運動。

3.減速停止過程

汽車減速時，先斷開動力然后由制動裝置控制車輪轉(zhuǎn)動，車輪由滾動變?yōu)榛瑒樱藭r地面施加給車輪的滑動摩擦力f阻礙汽車運動，使汽車減速至停止。此過程中汽車做勻減速直線運動，f=ma，a的方向與f相同、與v相反，vt=vm-at。

總之，求解此類物理問題時要把握住受力分析、運動分析、能量分析，必要時還要用動量分析。只有清楚整個物理過程及實質(zhì)，才能依據(jù)相應(yīng)的物理模型和規(guī)律列方程求解。

作者單位:云南省麗江市華坪縣教研室