• 匀变速直线运动的位移与速度的关系
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简答题

如图所示,在距地面高为H=45m处,有一小球A以初速度v0=10m/s水平抛出,与此同时,在A的正下方有一物块B也以相同的初速度v0同方向滑出,B与地面间的动摩擦因数为μ=0.5,A、B均可看做质点,空气阻力不计.求:

(1)A球从抛出到落地的时间;

(2)A球从抛出到落地这段时间内的水平位移;

(3)A球落地时,A、B之间的距离.

正确答案

(1)A球平抛运动的时间t==s=3s                               

(2)平抛运动的水平位移SA=V0t=10×3m=30m                                   

(3)根据牛顿第二定律得,B的加速度a=μg=0.5×10m/S2=5m/S2

SB==m=10m

△S=SA-SB=(30-10)m=20m    

答:(1)A球从抛出到落地的时间为3s.

(2)A球从抛出到落地这段时间内的水平位移为30m.

(3)A、B之间的距离为20m.

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简答题

如图所示,质量为m的滑块在恒定外力作用下从水平轨道上的A点由静止出发运动到B点时撤去外力,又沿竖直面内半径为R的光滑半圆形轨道运动,且恰好通过轨道最高点C,滑块脱离半圆形轨道后又刚好落到原出发点A,求:

(1)AB段的距离;

(2)滑块刚过B点时对轨道的压力;

(3)滑块在AB段运动过程中的加速度。

正确答案

解:(1)在C点,由牛顿第二定律有:mg=m

离开C,滑块做平抛运动,则:2R=gt2

xAB=vCt③

联立以上①②③式解得:xAB=2R

(2)由B到C的过程机械能守恒得:mvC2+2mgR=mvB2

在B点,据牛顿第二定律得:FB-mg=m

由①④⑤解得:FB=6mg

由牛顿第三定律知:滑块对轨道的压力为6mg,方向竖直向下

(3)由vB2=2axAB,可得:a=g

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如图所示,水平轨道上轻弹簧左端固定,弹簧处于自然状态时,其右端位于P点,现用一质量m=0.1 kg的小物块(可视为质点)将弹簧压缩后释放,物块经过P点时的速度v0=6 m/s,经过水平轨道右端Q点后恰好沿半圆光滑轨道的切线进入竖直固定的圆轨道,最后物块经轨道最低点A抛出后落到B点,若物块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.15,s=4 m,R=1 m,A到B的竖直高度h=1.25 m,取g=10 m/s2

(1)求物块到达Q点时的速度大小(保留根号)。

(2)判断物块经过Q点后能否沿圆周轨道运动,简单说明理由。

(3)若物块从A水平抛出的水平位移大小为4 m,求物块在A点时对圆轨道的压力。

正确答案

解:(1)物块由P-Q:a=-μ

得:

(2)由于vt>=m/s,所以物块能经过点沿圆周轨道运动

(3)物块A-B:X=vAt,H=

得:  

A点,

FN=7.4N    

由牛顿第三定律知:物块在A点对轨道的压力为7.4N,方向竖直向下

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简答题

质量为10g的子弹,以300m/s的水平速度射入一块竖直固定的木板,把木板打穿,子弹穿出时的速度为200m/s,板厚10cm,试求:

(1)子弹的加速度

(2)子弹对木板的平均作用力.

正确答案

(1)以子弹为研究对象,取初速度v0的方向为正方向,依题意

v2-v02=2as    得a=-2.5×105m/s2

负号表示加速度方向与初速度方向相反.

(2)设木板对子弹的平均作用力为F,据牛顿第二定律,有:

F=ma=-2.5×103N,负号表示平均作用力与初速度方向相反.

根据牛顿第三定律,子弹对木板的平均作用力F′=2.5×103N,方向和初速度方向相同.

答:(1)子弹的加速度为2.5×105m/s2

(2)子弹对木板的平均作用力为2.5×103N.

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简答题

如图所示,长为L、内壁光滑的直管与水平地面成30°角固定位置.将一质量为m的小球固定在管底,用一轻质光滑细线将小球与质量为M=3m的小物块相连,小物块悬挂于管口.现将小球释放,一段时间后,小物块落地静止不动,小球继续向上运动,通过管口的转向装置后做平抛运动,小球在转向过程中速率不变(重力加速度为g).

求:(1)小物块下落过程中的加速度大小;

(2)小球从管口抛出时的速度大小;

(3)小球在做平抛过程中的水平位移.

正确答案

(1)设细线中的张力为T,根据牛顿第二定律:

Mg-T=Ma                          

T-mgsin30°=ma                      

且M=3m

解得a=g       

答:小物块下落过程中的加速度大小为g.                  

(2)设M落地时的速度大小为v,m射出管口时速度大小为v0,M落地后m的加速度为a0.根据牛顿第二定律有:

-mgsin30°=ma0 

解得a0=-gsin30°=-g

又由匀变速直线运动,

v2=2aLsin30°,

v02-v2=2a0L(1-sin30°)              

解得v0=

答:小球从管口抛出时的速度大小为

(3)小球做平抛运动有:

x=v0t                         

Lsin30°=gt2   

解得水平位移x=L

答:小球在做平抛过程中的水平位移为=L.

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如图所示为车站使用的水平传送带的模型,它的水平传送带的长度为L=8m,A、B为传送带水平部分的最左端和最右端.现有一个旅行包(视为质点)以v0=10m/s的初速度从A端水平地滑上水平传送带.已知旅行包与传送带之间的动摩擦因数为μ=0.6.试求:

(1)若传送带保持静止,旅行包滑到B端时,旅行包的速度为多大?

(2)若皮带轮逆时针匀速转动,传送带转动的速率恒为8m/s,则旅行包到达B端时的速度是多大?

(3)若皮带轮顺时针匀速转动,传送带转动的速率恒为8m/s,则旅行包从A端到达B端所用的时间是多少?

正确答案

(1)由a=-μg,2as=v2-v02

代入数据解得:

到达B端时旅行包的速度为:v=2m/s 

(2)若皮带轮逆时针匀速转动,旅行包的受力及运动情况与传送带静止时完全相同,故到达B端时其速度也是2m/s.

(3)令旅行包速度从v0=10m/s减速到v1=8m/s所需的时间为t1,则

由v1=v0+at1,代入数据得t1=s=0.333s.

由2as1=v2-v02,代入数据得s1=3m.

故s1<L=8m,故旅行包先匀减速后匀速运动,

设匀速运动过程所需时间为t2,则t2==s=0.625s

故旅行包从A端到达B端所用的总时间是:

t=t1+t2=s=0.958s.

答:(1)若传送带保持静止,旅行包滑到B端时,旅行包的速度为2m/s;

(2)若皮带轮逆时针匀速转动,传送带转动的速率恒为8m/s,则旅行包到达B端时的速度是2m/s;

(3)若皮带轮顺时针匀速转动,传送带转动的速率恒为8m/s,则旅行包从A端到达B端所用的时间是0.958s.

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如图所示为仓库中常用的皮带传输装置示意图,它由两台皮带传送机组成,一台水平传送,A 、B 两端相距3m ,另一台倾斜,传送带与地面的倾角θ=37o ,C 、D 两端相距4.45m ,B 、C 相距很近。水平部分 AB 以5m/s的速率顺时针转动。将质量为10kg的一袋大米放在A 端,到达B端后,速度大小不变地传到倾斜的CD 部分,米袋与传送带间的动摩擦因数均为0.5 。试求:

(1)若CD部分传送带不运转,求米袋沿传送带所能上升的最大距离。

(2)若要米袋能被送到D端,求CD部分顺时针运转的速度应满足的条件。

正确答案

解:(1)米袋在 AB 上加速时的加速度ao=μmg/m =μg = 0.5×10 = 5 m/s2米袋的速度达到vo=5 m/s 时,

滑行的距离so = vo2/2ao= 52/2×5 = 2.5 m < dAB=3m

因此米袋在到达B点之前就有了与传送带相同的速度。

设米袋在CD上运动的加速度大小为a,

由牛顿第二定律,有:mg sinθ + μmg cos θ = ma

代入数据解得a=10m/s2

所以能滑上的最大距离s=vo2/2a =52/2×10 = 1.25 m

(2)设CD部分运转速度为v1时米袋恰能到达D点(即米袋到达D 点时速度恰好为零),

则米袋速度减为v1之前的加速度为a1= - g(sinθ + μcos θ)= -10m/s2 米袋速度小于v1至减为零前的加速度为a2= - g(sinθ - μcos θ)= - 2m/s2由 [(v12 - vo2)/2a1 ] + [(0 - v12)/2a2] = 4.45 m

解得v1= 4 m/s,即要把米袋送到D 点,CD 部分的速度vCD ≥ v1= 4m/s

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在某公园建有一山坡滑草运动项目,该山坡可看成倾角θ=37°的斜面,一名游客连同滑草装置总质量m=80kg,他从静止开始从顶端匀加速下滑,装置与草之间的动摩擦因数为μ=0.5,山坡长x=64m.(不计空气阻力,取g=10m/s2,)问:

(1)游客连同滑草装置在下滑过程中加速度为多大;

(2)滑到底端时的速度及所用时间.

正确答案

(1)设游客连同滑草装置在下滑过程中加速度为a,对游客连同滑草装置受力分析如图所示.

由牛顿第二定律得mgsin37°-Ff=ma   ①

                FN=mgcos37°      ②

                又Ff=μFN

联立①②③式解得a=2m/s2

(2)设游客连同滑草装置滑到底端时的速度为v,所用时间为t.

     由运动学公式可得v2=2ax,v=at,

     解得v=16m/s,t=8s.

答:(1)游客连同滑草装置在下滑过程中加速度为2m/s2

    (2)滑到底端时的速度为v=16m/s,所用时间为t=8s.

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简答题

传送带在工农业生产中有着广泛的应用.如图所示,平台上的人欲通过一根平行于传送带的轻绳将物品拉上平台,已知物品质量m=50kg,可看成质点,用F=500N的恒力从静止开始往上拉,传送带与水平面的夹角θ=37°,从传送带底端到平台左边的距离L=2.25m,传送带以恒定速度v=2m/s顺时针运行,物品与传送带之间的动摩擦因数μ=0.5,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.(g取10m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)问:

(1)物品从传送带底端运动到平台上所用的时间是多少?

(2)若在物品离传送带底端L0=0.44m处时,立即撤去恒力F,求物品再经过多少时间离开传送带?

正确答案

(1)物品在达到传送带速度之前,由受力情况,据牛顿定律有:F+μmgcos37°-mgsin37°=ma1

解得:a1=8m/s2

由    v=at 和x=at2得:

t1=0.25s     x=0.25m                    

随后由受力情况,据牛顿定律有:F-μmgcos37°-mgsin37°=ma2

解得:a1=0    即物品随传送带匀速上升

位移:x2=L-x1=2m

T2==1s

总时间:t=t1+t2=1.25s          

(2)L0=0.44m>x1=0.25,物品的速度大于传送带的速度v=2m/s

撤去外力F,由物品受力情况,所牛顿定律有:μmgcos37°-mgsin37°=ma3

代入数据解得:a3=-2m/s2

由   2ax=-

代入数据解得:X3=1m                       

因为L0+x3=1.44m<L=2.25m  物品速度减为零后倒回传送带底部,

由     x=v0t+at2

代入数据解得:t3=2.2s               

答:(1)物品从传送带底端运动到平台上所用的时间是1.25s

(2)若在物品离传送带底端L0=0.44m处时,立即撤去恒力F,物品再经过2.2s离开传送带.

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简答题

一个倾角为θ=37°的斜面固定在水平面上,一个质量为m=1.0 kg的小物块(可视为质点)以m/s的初速度由底端沿斜面上滑,小物块与斜面的动摩擦因数。若斜面足够长,已知,g取10m/s2,求:

(1)小物块沿斜面上滑时的加速度大小;

(2)小物块上滑的最大距离;

(3)小物块返回斜面底端时的速度大小。

正确答案

解:(1)小物块在斜面上的受力情况如图所示,

重力的分力

根据牛顿第二定律有:

又因为

由①②③式得

                       

                         ④

(2)小物块沿斜面上滑做匀减速运动,到达最高点时速度为零,则有

(3)小物块在斜面上的受力情况如图所示,

根据牛顿第二定律有

 ⑧

由③⑦⑧式得 

                        

                        

因为

所以

          

            (或2.8m/s)。 

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