- 牛顿运动定律的综合应用
- 共404题
水上滑梯可简化成如图所示的模型,斜槽AB和水平槽BC平滑连接,斜槽AB的竖直高度H=5.0m,倾角θ=37°。BC面与水面的距离h=0.80m,人与AB、BC间的摩擦均忽略不计。取重力加速度g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6。一同学从滑梯顶端A点无初速地自由滑下,
求:
(1)该同学沿斜槽AB下滑时加速度的大小a;
(2)该同学滑到B点时速度的大小vB;
(3)从C点滑出至落到水面的过程中,该同学在水平方向位移的大小x。
正确答案
见解析。
解析
(1)该同学沿斜槽AB下滑过程中,受重力和斜槽的支持力,由牛顿第二定律
可得 a=6m/s2
(2)由A到B的过程中只有重力做功,设到达B点时速度为 vB ,由机械能守恒定律
可得 vB =10m/s
(3)由B到C该同学做匀速直线运动,到达C点时的速度为 vC =vB=10m/s ,由C点到落入水面做平抛运动,有
水平方向
竖直方向
可得 x=4m
知识点
如图所示为某钢铁厂的钢锭传送装置,斜坡长为L=20 m,高为h=2m,斜坡上紧排着一排滚筒.长为l=8 m、质量为m=1×103kg的钢锭ab放在滚筒上,钢锭与滚筒间的动摩擦因数为μ=0.3,工作时由电动机带动所有滚筒顺时针匀速转动,使钢锭沿斜坡向上移动,滚筒边缘的线速度均为v=4 m/s.假设关闭电动机的瞬时所有滚筒立即停止转动,钢锭对滚筒的总压力近似等于钢锭的重力.取当地的重力加速度g=10 m/s2.试求:
(1)钢锭从坡底(如下图示位置)由静止开始运动,直到b端到达坡顶所需的最短时间。
(2)钢锭从坡底(如下图示位置)由静止开始运动,直到b端到达坡顶的过程中电动机至少要工作多长时间。
正确答案
(1)4s
(2)3.5s
解析
(1)钢锭开始受到的滑动摩擦力为
由牛顿第二定律有
钢锭做匀加速运动的时间 位移
要使b端到达坡顶所需要的时间最短,需要电动机一直工作,钢锭先做匀加速直线运动,当它的速度等于滚筒边缘的线速度后,做匀速直线运动.
钢锭做匀速直线运动的位移
做匀速直线运动的时间
所需最短时间
(2) 要使电动机工作的时间最短,钢锭的最后一段运动要关闭电动机,钢锭匀减速上升b端到达坡顶时速度刚好为零.
匀减速上升时 解得
匀减速运动时间 匀减速运动位移
匀速运动位移 电动机至少要工作的时间
知识点
鸵鸟是当今世界上最大的鸟,由于翅膀退化它已经不会飞了。鸟起飞的必要条件是空气对它向上的力f足够大,计算f大小的公式为:f=cρSv2,式中c是一个无量纲的比例常数,ρ是空气密度,S是鸟翅膀的面积,v是鸟起飞时的速度。为了估算鸟起飞时的速度v,可以作一个简单的几何相似性假设:设鸟的几何线度为l,则鸟的质量与l3成正比,翅膀的面积S与l2成正比。
已知燕子起飞时的速度约为20km/h,鸵鸟的几何线度大约是燕子的25倍。由此可估算出若要使鸵鸟能起飞,鸵鸟的速度必须达到
正确答案
解析
略
知识点
如图9,在倾斜角为的光滑斜面上放一轻质弹簧,其下端固定,静止时上端位置在B点,在A点放上一质量
的小物体,小物体自由释放,从开始的一段时间内的
图像如图10所示,小物体在
时运动到B点,在0.9s到达C点,BC的距离为1.2m(
),由图知
正确答案
解析
略
知识点
一同学利用手边的两个完全相同的质量为m的物块和两个完全相同、劲度系数未知的轻质弹簧,做了如下的探究活动。已知重力加速度为g,不计空气阻力。
(1)取一个轻质弹簧,弹簧的下端固定在地面上,弹簧的上端与物块A连接,物块B叠放在A上,A、B处于静止状态,如图所示。若A、B粘连在一起,用一竖直向上的拉力缓慢提升B,当拉力的大小为时,A物块上升的高度为L;若A、B不粘连,用一竖直向上的恒力
作用在B上,当A物块上升的高度也为L时,A、B恰好分离。求:
a.弹簧的劲度系数;b.恒力
的大小;
(2)如图所示,将弹簧1上端与物块A拴接,下端压在桌面上(不拴接),弹簧2两端分别与物块A、B拴接,整个系统处于平衡状态。现施力将物块B缓缓地竖直上提,直到弹簧1的下端刚好脱离桌面。求在此过程中该拉力所做的功?(已知弹簧具有的弹性势能为,k为弹簧的劲度系数,Δx为弹簧的形变量)
正确答案
见解析。
解析
(1)
a.设弹簧自然长度为,没有作用力
时,物块A、B压在弹簧上,弹簧的长度为
用力F1向上缓慢提起物块B,当力时,弹簧的长度为
物块上升的高度
解得
b. 在恒力F和弹簧的弹力作用下,A、B一起向上做加速运动,随弹簧压缩量减小,弹簧的弹力减小,一起向上的加速度逐渐减小。在此过程中A、B间的压力也减小,一直到 A、B刚分离时,A、B间相互作用的弹力恰为0。A物块受重力和弹簧的弹力,它的加速度为
此时B受重力和恒力F其加速度为
且刚分离时应有
由以上方程解得
(2)如图所示,开始时物块B受重力和弹簧2的弹力处于平衡状态,设为弹簧2此状态下的压缩量,有
可得
可将物块A、B(包括轻弹簧2)看成一个整体,受重力和弹簧1的弹力处于平衡状态,设弹簧1此时压缩量为,有
可得
施力将物块B缓慢上提,弹簧2的长度增大,物块A也向上移动,弹簧1的长度也增大,直到弹簧1的下端刚好脱离桌面,弹簧1与桌面间的作用力为0,弹簧1处于自然长度。此时两物体仍都处于平衡状态。设为弹簧2此状态下的伸长量,对于物块A此时受重力mg和弹簧2对物块A向上的拉力
,有
可得
在此过程中物块A向上移动的总距离为:。
物块B与物块A间的弹簧2长度由压缩状态变为伸长状态
,L0为弹簧2的自然长度。由此可见物块A与物块B间的距离增加了
,但物块A向上移动了
的距离,故物块B向上移动的总距离为
物块A的重力势能增加量为
物块B的重力势能增加量为
弹簧1由压缩状态到自然长度,弹性势能减小量为
弹簧2由压缩Δx2变为伸长Δx2’弹性势能改变量为
在此过程中该拉力所做的功等于整个系统的重力势能和弹性势能的增加量的代数和
知识点
如图所示,质量足够大、截面是直角梯形的物块静置在光滑水平地面上,其两个侧面恰好与两个固定在地面上的压力传感器X、Y相接触。图中AB高H=0.3m,AD长L=0.5m。斜面倾角。可视为质点的小物块P(图中未画出)质量m=1kg,它与斜面的动摩擦因数
可以通过更换斜面表面的材料进行调节,调节范围是
。
(1)令,将P由D点静止释放,求P在斜面上的运动时间。
(2)令,在A点给P一个沿斜面上的初速度
,求P落地时的动能。
(3)将压力传感器X、Y接到同一个数据处理器上,已知当X和Y受到物块压力时,分别显示正值和负值。对于不同的,每次都在D点给P一个方向沿斜面向下、大小足够大的初速度,以保证它能滑离斜面。求滑行过程中处理器显示的压力F随
变化的函数关系式,并在坐标系中画出其函数图象。
正确答案
见解析。
解析
(1)当时.设P沿斜面下滑的加速度为
,
由牛顿第二定律得:
设P 在斜面上运动的时间为t,由运动学公式得:
代入数据解得:
(2)设P沿斜面上滑位移为时速度为0,由动能定理得:
代入数据解得:
设P 落地时的动能为Ek,由动能定理得:
代入数据解得:
(3)P沿斜面下滑的过程中,物块的受力如图所示,设传感器对物块的压力为F,取向右为正方向,由平衡条件可得:
F+FNsin-Ffcos
=0
其中:FN=mgcos
Ff= FN
代入数据解得:
其图象如图所示。
知识点
(1)原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时,有可能不发射光子。例如在某种条件下,铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子,使之脱离原子,这一现象叫做俄歇效应。以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子。已知铬原子的能级公式可简化表示为 ,式中n=1,2,3…表示不同的能级,A是正的已知常数。上述俄歇电子的动能是 ( )
A. B.
C.
D.
(2)如图所示,光滑的水平地面上有一木板,其左端放有一重物,右方有一竖直的墙.重物质量为木板质量的2倍,重物与木板间的动摩擦因数为.使木板与重物以共同的速度
向右运动,某时刻木板与墙发生弹性碰撞,碰撞时间极短.求木板从第一次与墙碰撞到再次碰撞所经历的时间.设木板足够长,重物始终在木板上.重力加速度为g.
正确答案
(1)C
(2)t=
解析
2 解析:木板第一次与墙碰撞后,向左匀减速直线运动,直到静止,再反向向右匀加速直线运动直到与重物有共同速度,再往后是匀速直线运动,直到第二次撞墙。
木板第一次与墙碰撞后,重物与木板相互作用直到有共同速度,动量守恒,有:
,解得:
木板在第一个过程中,用动量定理,有:
用动能定理,有:
木板在第二个过程中,匀速直线运动,有:
木板从第一次与墙碰撞到再次碰撞所经历的时间t=t1+t2=+
=
知识点
如图a所示,一物体以一定的速度v0沿足够长斜面向上运动,此物体在斜面上的最大位移与斜面倾角的关系由图b中的曲线给出.设各种条件下,物体运动过程中的动摩擦因数不变,.试确定
为多大时,X值最小.
正确答案
见解析
解析
当θ为90度时
当θ为0度时,米,可知物体运动中必受摩擦阻力.
设摩擦因数为μ,此时摩擦力大小为μmg,加速度大小为μg.由运动学方程
联列(1)(2)两方程,μ= v0=5(m/s)
对于任意一角度,利用动能定理得对应的最大位移x满足关系式
解得
期中 可知当x的最小值为
米
对应的
知识点
2012年11月,“歼15”舰载机在“辽宁号”航空母舰上着舰成功。图1为利用阻拦系统让舰载机在飞行甲板上快速停止的原理示意图。飞机着舰并成功钩住阻拦索后,飞机的动力系统立即关闭,阻拦系统通过阻拦索对飞机施加一作用力,使飞机在甲板上短距离滑行后停止。若航母保持静止,在某次降落中,以飞机着舰为计时起点,飞机的速度随时间变化关系如图2所示。飞机在t1=0.4s时恰好钩住阻拦索中间位置,此时速度v1=70m/s;在t2=2.4s时飞机速度v2=10m/s。飞机从t1到t2的运动可看成匀减速直线运动。设飞机受到除阻拦索以外的阻力f大小不变,f=5.0×104N,“歼15”舰载机的质量m=2.0×104kg。
(1)若飞机在t1时刻未钩住阻拦索,仍立即关闭动力系统,仅在阻力f的作用下减速,求飞机继续滑行的距离(假设甲板足够长);
(2)在t1至t2间的某个时刻,阻拦索夹角α=120°,求此时阻拦索中的弹力T;
(3)飞机钩住阻拦索后在甲板上滑行的距离比无阻拦索时少s=898m,求从t2时刻至飞机停止,阻拦索对飞机做的功W。
正确答案
见解析。
解析
(1)飞机仅在阻力f的作用下做匀减速直线运动,根据动能定理
解得
(2)根据v-t图像可求得飞机加速度大小
飞机受力如图所示。
根据牛顿第二定律
解得 T=5.5×105N
(3)无阻拦索时,飞机需滑行x=980m
有阻拦索时,飞机实际滑行距离
由图像面积可知,从t1时刻至t2时刻,飞机的位移为s1=80m
因此,从t2时刻至飞机停止,飞机的位移为s2=2m
从t2时刻至飞机停止,根据动能定理
解得 W=-9×105J
知识点
如图所示,水平轨道与竖直平面内的圆弧轨道平滑连接后固定在水平地面上,圆弧轨道B端的切线沿水平方向。质量m=1.0kg的滑块(可视为质点)在水平恒力F=10.0N的作用下,从A点由静止开始运动,当滑块运动的位移x=0.50m时撤去力F。已知A、B之间的距离x0=1.0m,滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.10,取g=10m/s2。求:
(1)在撤去力F时,滑块的速度大小;
(2)滑块通过B点时的动能;
(3)滑块通过B点后,能沿圆弧轨道上升的最大高度h=0.35m,求滑块沿圆弧轨道上升过程中克服摩擦力做的功。
正确答案
见解析。
解析
(1)滑动摩擦力 f=μmg
设滑块的加速度为a1,根据牛顿第二定律
F-μmg=ma1
解得 a1=9.0m/s2
设滑块运动位移为0.50m时的速度大小为v,根据运动学公式
v2=2a1x
解得 v =3.0m/s
(2)设滑块通过B点时的动能为EkB
从A到B运动过程中,依据动能定理有 W合=ΔEk
F x -fx0= EkB,
解得 EkB=4.0J
(3)设滑块沿圆弧轨道上升过程中克服摩擦力做功为Wf,根据动能定理
-mgh-Wf=0-EkB
解得 Wf=0.50J
知识点
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