Question

5．2016年新春佳節(jié)，我市的許多餐廳生意火爆，常常人滿為患，為能服務(wù)更多的顧客，服務(wù)員需要用最短的時(shí)間將菜肴送至顧客處（設(shè)菜品送到顧客處速度恰好為零）．某次服務(wù)員用單手托托盤方式（如圖）給12m遠(yuǎn)處的顧客上菜，要求全程托盤水平．托盤和手、碗之間的摩擦因數(shù)分別為0.2、0.15，服務(wù)員上菜最大速度為3m/s．假設(shè)服務(wù)員加速、減速運(yùn)動(dòng)過程中是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，且可認(rèn)為最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力．則：
（1）求服務(wù)員運(yùn)動(dòng)的最大加速度；
（2）服務(wù)員上菜所用的最短時(shí)間．

Answer 1

分析 （1）對(duì)物體受力分析，由牛頓第二定律求出加速度，然后求出最大加速度．
（2）由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出各 階段的時(shí)間與位移，然后求出總的時(shí)間．

解答 解：（1）設(shè)碗的質(zhì)量為m，托盤的質(zhì)量為M，以最大加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，碗、托盤、手保持相對(duì)靜止，碗受力如圖甲所示，由牛頓第二定律得：
F_f1=ma₁，
碗與托盤間相對(duì)靜止，則：F_f1≤F_f1max=μ₁mg，
解得：a₁≤μ₁g=0.15×10=1.5m/s²，
對(duì)碗和托盤整體，由牛頓第二定律得：
F_f2=（M+m）a₂，
手和托盤間相對(duì)靜止，則：
F_f2≤F_f2max=μ₂（M+m）g，
解得：a₂≤μ₂g=0.2×10=2m/s²，
則最大加速度：a_max=1.5m/s²；
（2）服務(wù)員以最大加速度達(dá)到最大速度，然后勻速運(yùn)動(dòng)，再以最大加速度減速運(yùn)動(dòng)，所需時(shí)間最短，
加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間：t₁=$\frac{{v}_{max}}{{a}_{max}}$=$\frac{3}{1.5}$=2s，
位移：x₁=$\frac{1}{2}$v_maxt₁=$\frac{1}{2}$×3×2=3m，
減速運(yùn)動(dòng)時(shí)間：t₂=t₁=2s，位移：x₂=x₁=3m，
勻速運(yùn)動(dòng)位移：x₃=L-x₁-x₂=12-3-3=6m，
勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間：t₃=$\frac{{x}_{3}}{{v}_{max}}$=$\frac{6}{3}$=2s，
最短時(shí)間：t=t₁+t₂+t₃=2+2+2=6s；
答：（1）服務(wù)員運(yùn)動(dòng)的最大加速度是1.5m/s²；
（2）服務(wù)員上菜所用最短時(shí)間是6s；

點(diǎn)評(píng) 本題考查了求加速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間問題，分析清楚物體運(yùn)動(dòng)過程，應(yīng)用牛頓第二定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式 即可正確解題．