- 匀变速直线运动的位移与速度的关系
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水平传送带以2 m/s的速度运行,将质量为2 kg的工件沿竖直方向轻轻放在传送带上(设传送带速度不变),如图所示,工件与传送带之间动摩擦因数μ=0.2,放上后工件在5s内的位移是多少?摩擦力对工件做的功是多少?(g取 10 m/s2)
正确答案
解:
工件只有摩擦力使它产生加速度,由牛顿第二定律,有:μmg= ma,所以a=μg, 由运动学公式知,达到v=2 m/s的时间为:
位移为:
由以上计算可知,工件经1s后速度达到2m/s,而以后工件和传送带一起匀速运动,所以工件在5s内位移为: s =s1+v(5 -t)=1 m+2×4 m=9m.
在工件与传送带一起运动之前才有摩擦力存在,所以摩擦力对物体做功为:
Wf=Ffs1=μmgs1=0.2×2×10×1J=4J.
如图所示,一水平圆盘绕过圆心的竖直轴转动,圆盘边缘有一质量m=1.0 kg的小滑块。当圆盘转动的角速度达到某一数值时,滑块从圆盘边缘滑落,经光滑的过渡圆管进入轨道ABC。已知AB段斜面倾角为53°,BC段斜面倾角为37°,滑块与圆盘及斜面间的动摩擦因数均μ=0.5,A点离B点所在水平面的高度h=1.2 m。滑块在运动过程中始终未脱离轨道,不计在过渡圆管处和B点的机械能损失,最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力,取g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。
(1)若圆盘半径R=0.2 m,当圆盘的角速度多大时,滑块从圆盘上滑落?
(2)若取圆盘所在平面为零势能面,求滑块到达B点时的机械能。
(3)从滑块到达B点时起,经0.6 s正好通过C点,求BC之间的距离。
正确答案
解:(1)滑块在圆盘上做圆周运动时,静摩擦力充当向心力,根据牛顿第二定律,可得:μmg=mω2R
代入数据解得:
(2)滑块在A点时的速度:vA=ωR=1 m/s
从A到B的运动过程由动能定理得:mgh-μmgcos53°×h/sin53°=
在B点时的机械能为:
(3)滑块在B点时的速度:vB=4 m/s
滑块沿BC段向上运动时的加速度大小:a1=g(sin37°+μcos37°)=10 m/s2
返回时的加速度大小:a2=g(sin37°-μcos37°)=2 m/s2
BC间的距离:
下雪天,卡车在笔直的高速公路上匀速行驶.司机突然发现前方停着一辆故障车,他将刹车踩到底,车轮被抱死,但卡车仍向前滑行,并撞上故障车,且推着它共同滑行了一段距离l后停下.事故发生后,经测量,卡车刹车时与故障车距离为L,撞车后共同滑行的距离l=L.假定两车轮胎与雪地之间的动摩擦因数相同.已知卡车质量M为故障车质量m的4倍.
(1)设卡车与故障车相撞前的速度为v1,两车相撞后的速度变为v2,求
(2)卡车司机至少在距故障车多远处采取同样的紧急刹车措施,事故就能免于发生.
正确答案
(1)由碰撞过程动量守恒Mv1=(M十m)v2 ①
则=
2)设卡车刹车前速度为v0,轮胎与雪地之间的动摩擦因数为μ,根据动能定理得:
两车相撞前卡车动能变化Mv02-
Mv12=μMgL ②
碰撞后两车共同向前滑动,动能变化 (m+M)v22-0=μ(m+M)gl ③
由②式 v02-v12=2μgL
由③式 v22=2μgl
又因l=L,得 v02=3μgl
如果卡车滑到故障车前便停止,由 Mv02=μMgL′④
解得:L′=L
这意味着卡车在距故障前至少L处便紧急刹车,才能免于事故.
答:(1)设卡车与故障车相撞前的速度为v1,两车相撞后的速度变为v2,=
,
(2)卡车在距故障前至少L处便紧急刹车,才能免于事故.
某人欲将质量m=2.0×102kg的货箱推上高h=1.0m的卡车,他使用的是一个长L=5.0m的斜面(斜面与水平面平滑连接),如图所示.假设货箱与水平面和斜面的动摩擦因数均为μ=0.10,此人沿平行于地面和斜面对货箱所施的最大推力均为Fm=4.0×102N.为计算方便可认为cosθ≈1,g取10m/s2.
(1)通过计算说明此人从斜面底端,用平行于斜面的力不能把货箱匀速推上卡车;
(2)此人要把货箱推上卡车,需要先在水平地面上推动货箱做加速运动,使货箱在斜面的底端 A处具有一定的速度,接着继续用平行于斜面最大推力Fm推货箱.为把货箱推到斜面顶端的卡车上,货箱在斜面底端的速度至少为多大?
(3)此人先以水平力,后以平行于斜面的力推货箱,推力大小总是Fm,那么,把静止于地面的货箱从水平面推到卡车上至少需做多少功?
正确答案
(1)设货箱与斜面间的滑动摩擦力为f,斜面对货箱的支持力为N,斜面倾角为θ,平行于斜面用力把货箱匀速推上卡车用力为F,则:
f=μN
N=mgcosθ
F=f+mgsinθ
F=6.0×102N
因为Fm小于需要的推力6.0×102N,所以不能把货箱匀速推上卡车.
(2)欲求货箱在斜面低端的最小速度,则可设货箱到达斜面顶端时速度为零.设货箱在斜面上做匀减速运动的加速度大小为a1,货箱在斜面底端时速度至少为v,根据牛顿第二定律:
mgsinθ+μmgcosθ-Fm=ma1解得:
a1=1.0 m/s2
根据运动学公式有:v2=2a1L
解得:v=m/s≈3.2m/s
(3)要使推力做功最少,则货箱到达斜面顶端时速度为零,即货箱通过A点时速度为v,设货箱在推力Fm作用下沿水平面运动距离为s到斜面底端时,速度大小为v,根据动能定理有:
Fms-μmgs=mv2解得:s=5.0m
此人在全过程做的功为:W=Fm(s+L)=4.0×103J;
答:(1)不能将货箱推上去;
(2)货箱在斜面底端的速度至少为3.2m/s;
(3)此人在全程做的功为4.0×103J.
图中有一个竖直固定在地面的透气圆筒,筒中有一劲度为k的轻弹簧,其下端固定,上端连接一质量为m的薄滑块,圆筒内壁涂有一层新型智能材料——ER流体,它对滑块的阻力可调。起初,滑块静止,ER流体对其阻力为0,弹簧的长度为L,现有一质量也为m的物体从距地面2L处自由落下,与滑块碰撞后粘在一起向下运动。为保证滑块做匀减速运动,且下移距离为时速度减为0,ER流体对滑块的阻力须随滑块下移而变。试求(忽略空气阻力):
(1)下落物体与滑块碰撞过程中系统损失的机械能;
(2)滑块向下运动过程中加速度的大小;
(3)滑块下移距离d时ER流体对滑块阻力的大小。
正确答案
解:(1)设物体下落末速度为v0,由机械能守恒定律
,得
设碰后共同速度为v1,由动量守恒定律
2mv1=mv0,得
碰撞过程中系统损失的机械能
(2)设加速度大小为a,有
得
(3)设弹簧弹力为FN,ER流体对滑块的阻力为FER,受力分析如图所示
FS=kx
x=d+mg/k
得
如图所示,圆环的质量为M,经过环心的竖直细钢丝AB上套一质量为m的小球,今将小球沿钢丝AB以初速度0从A点竖直向上抛出,致使环对地面的压力恰好为零,求:
(1)小球上升的加速度;
(2)小球能达到的最大高度。(球不会碰到B点)
正确答案
解:(1)环对地面的压力恰好为零,说明它所受小球的滑动摩擦力F1与环自身重力G1恰平衡,所以二者大小相等,即:F1=G1=Mg
小球受力如图,其中F2与F1为作用力和反作用力关系,大小相等,所以F2=Mg
由牛顿第二定律得:F2+G2=ma
所以小球上升的加速度大小为:a=(F2+G2)/m=(M+m)g/m
小球上升的加速度方向竖直向下
(2)小球上升到最高点时速度等于零,由得:
所以小球能上升的最大高度hm=
滑板运动是一项陆地上的“冲浪运动”,如图甲所示,OAB是同一竖直平面上的滑行轨道,其中OA段是长27m的水平轨道,AB段是倾角θ=37°足够长的斜直轨道,OA与AB在A点平滑连接。已知滑板及运动员总质量为60kg,运动员从水平轨道向左滑向斜直轨道,滑到O点开始计时,其后一段时间内的运动图象如图乙所示。将滑板及运动员视为质点,滑过拐角时速度大小不变,在水平和斜直轨道上滑板和接触面间的动摩擦因数相同。(取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,忽略空气阻力)求:
(1)滑板与接触面间的动摩擦因数;
(2)运动员到达坡底A点时速度大小;
(3)运动员沿坡上滑的最大距离。(保留三位有效数字)
正确答案
解:(1)由运动图象知a==-2m/s2
在水平方向由牛顿第二定律得:-μmg=ma
联立解得:μ=0.2
(2)设人运动到A点时速度为v,由运动学公式v2-v02=2ax
解得:v=6m/s
(3)运动员冲上斜面后做匀减速运动,设减速过程的加速度为a′
由牛顿第二定律得:-mgsinθ-μFN=ma′
FN=mgcosθ
解得:a′=-7.6m/s2
设沿坡上滑的最大距离为x,由运动学公式:0-v2=2a′x
解得:x=2.37m
即沿坡上滑的最大距离为2.37m
如图所示,某物块(可看成质点)从A点沿竖直光滑的圆弧轨道,由静止开始滑下,圆弧轨道的半径
,末端B点与水平传送带相切,物块由B点滑上粗糙的传送带。若传送带静止,物块滑到传送带的末端C点后做平抛运动,落到水平地面上的D点,已知C点到地面的高度H=5m,C点到D点的水平距离为,g=10m/s2。求:
(1)物块滑到B点时速度的大小;
(2)物块滑到C点时速度的大小;
(3)若传送带不静止,则物块最后的落地点可能不在D点。取传送带顺时针转动为正方向,试讨论物块落地点到C点的水平距离x与传送带匀速运动的速度v的关系,并作出x-v的图象。
正确答案
解:(1)从A到B,由动能定理得:mgR=1/2mv12,v1=m/s
(2)从C到D做平抛运动,竖直方向有:H=1/2gt2,t=1s
水平方向上有:x1=v2t,v2=1m/s
(3)若物体在传送带上一直加速,到C点时速度为v3,由运动学规律有:
v22-v12=-2as,v32-v12=-2as
v3=3m/s
讨论:(1)若传送带逆时针转动:x=x1=1m
(2)若传动带顺时针转动:
Ⅰ、当0<v≤1m/s时,x=x1=1m
Ⅱ、当1m/s<v≤3m/s时,x=vt=v
Ⅲ、当v>3m/s时,x=v2t=3m
图像如图所示
如图所示,一位质量m=65kg参加“挑战极限运动”的业余选手,要越过一宽度为s=3m的水沟,跃上高为h=1.8m的平台,采用的方法是:人手握一根长L=3.05m的轻质弹性杆一端。从A点由静止开始匀加速助跑,至B点时,杆另一端抵在O点的阻挡物上,接着杆发生形变,同时人蹬地后被弹起,到达最高点时杆 处于竖直,人的重心恰位于杆的顶端,此刻人放开杆水平飞出,最终趴落到平台上,运动过程中空气阻力可忽略不计。(g取10m/s2)
(1)设人到达B点时速度v0=8m/s,人匀加速运动的加速度a=2m/s2,求助跑距离SAB;
(2)设人跑动过程中重心离地高度H=1.0m,在(1)、(2)问的条件下,在B点人蹬地弹起瞬间,人至少再做多少功?
正确答案
解:(1)
(2)
小球在外力作用下,由静止开始从A点出发做匀加速直线运动,到B点时消除外力。然后,小球冲上竖直平面内半径为R的光滑半圆环,恰能维持在圆环上做圆周运动通过最高点C,到达最高点C后抛出,最后落回到原来的出发点A处,如图所示,试求:
(1)小球运动到B点时的速度;
(2)A、B之间的距离;
(3)小球在AB段运动的加速度为多大?
正确答案
(1)
(2)SAB=2R
(3)
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