体育老师带领学生做了一个游戏,在跑道上距离出发点32m、100m的直线上分别放有1枚硬币,游戏规则是把这2枚硬币全部捡起来(捡硬币时,人的速度为0),看谁用的时间最短.已知某同学做匀加速运动和匀减速运动的加速度大小均为2m/s2,运动的最大速度不超过10m/s.求该同学捡起2枚硬币所需要的最短时间.
由题意分析,该同学在运动过程中,平均速度越大时间最短.可能先加速,再减速.因为最大速度为10m/s,也可能先加速,再匀速最后减速.
设经过时间t1捡到第一枚硬币,先设该同学先匀加速速再匀减速运动所需时间最小,根据由运动学公式:
加速段有位移:x加=a,减速阶段因为速度减到0,故减速阶段的位移:x减=at加t减-a
因为加速和减速时间相同:t加=t减=,加速度大小相等均为a,故总位移:x=x加+x减=a+a=a()2×2
代入x=32m,a=2m/s2,可得同学所需最短时间:t1=8s,
此过程中同学的最大速度:vmax=a=8m/s<10m/s
所以该同学捡第一枚硬币的过程中,先加速再减速用时最短.
(2)令再经过t2捡第二枚硬币.同理有:
a()2×2=100-32
代入a解得:t2=2s
加速最大速度:v2=a=2m/s>10m/s
所以捡第二枚硬币时,应先加速再匀速最后减速.设加速减速的总时间为t3,匀速的时间为t4,因为加速的末速度为10m/s,所以据:v=a=10m/s得:t3=10s
匀加速和匀减速的总位移为:x=a()2×2=×2×()2×2m=50m
则匀速运动的位移为:vt4=100-32-50
∴t4=1.8s
则该同学运动的最短时间:t=t1+t3+t4=19.8s
答:该同学捡起2枚硬币所需要的最短时间为19.8s.