- 向心力
- 共114题
如图所示,质量M=2kg的滑块套在光滑的水平轨道上,质量m=1kg的小球通过长L=0.5m的轻质细杆与滑块上的光滑轴O连接,小球和轻杆可在竖直平面内绕O轴自由转动,开始轻杆处于水平状态,现给小球一个竖直向上的初速度v0=4 m/s,g取10m/s2。
(1)若锁定滑块,试求小球通过最高点P时对轻杆的作用力大小和方向;
(2)在满足(1)的条件下,小球在最高点P突然离开轻杆沿水平方向飞出,试求小球落到水平轨道位置到轴O的距离;
(3)若解除对滑块的锁定,小球通过最高点时的速度大小v′=2m/s,试求此时滑块的速度大小。
正确答案
(1)小球对轻杆的作用力大小为2N,方向竖直向上
(2)m
(3)v =1m/s
解析
(1)设小球能通过最高点,且此时的速度为v1。在上升过程中,因只有重力做功,小球的机械能守恒。则
得m/s
设小球到达最高点时,轻杆对小球的作用力为F,方向向下,则
得F=2N
由牛顿第三定律可知,小球对轻杆的作用力大小为2N,方向竖直向上
(2)小球飞出后做平抛运动,设运动时间为t
由
到轴O的距离
得m
(3)解除锁定后,设小球通过最高点时的速度为v2。
在上升过程中,系统的机械能守恒,则
得v =1m/s
知识点
如图所示,轻线一端系一质量为m的小球,另一端套在图钉A上,此时小球在光滑的水平平台上做半径为a、角速度为ω的匀速圆周运动。现拔掉图钉A让小球飞出,此后细绳又被A正上方距A高为h的图钉B套住,达到稳定后,小球又在平台上做匀速圆周运动。求:
(1)图钉A拔掉前,轻线对小球的拉力大小;
(2)从拔掉图钉A到被图钉B套住前小球做什么运动?所用的时间为多少?
(3)小球最后做圆周运动的角速度。
正确答案
见解析
解析
(1)图钉A拔掉前,轻线的拉力大小为
(2)小球沿切线方向飞出做匀速直线运动直到线环被图钉B套住,小球速度为v=ωa,匀速运动的位移,
则时间。
(3)v可分解为切向速度v1和法向速度v2,绳被拉紧后v2=0,小球以速度v1做匀速圆周运动,半径r=a+h
由,
得。
知识点
如图所示,在验证向心力公式的实验中,质量相同的钢球①、②分别放在转盘A、B上,它们到所在转盘转轴的距离之比为2:1。a、b分别是与A盘、B盘同轴的轮。a、b的轮半径之比为1:2,用皮带连接a、b两轮转动时,钢球①、②所受的向心力之比为( )
正确答案
解析
略
知识点
如图所示,半径为R的环形塑料管竖直放置,AB直线跟该环的水平直径重合,且管的内径远小于环的半径。AB及其以下部分处于水平向左的匀强电场中,管的内壁光滑。现将一质量为m,带电量为+q的小球从管中A点由静止释放,小球受到的电场力跟重力相等,则以下说法中正确的是
正确答案
解析
略
知识点
如图所示,AB为半径为R=0.45m的光滑圆弧,它固定在水平平台上,轨道的B端与平台相切。有一小车停在光滑水平面上紧靠平台且与平台等高,小车的质量为M=1.0kg,长L=1.0m。现有一质量为m=0.5kg的小物体从A点静止释放,滑到B点后顺利滑上小车,物体与小车间的动摩擦因数为μ=0.4,g=10m/s2。
(1)求小物体滑到轨道上的B点时对轨道的压力。
(2)求小物体刚滑到小车上时,小物体的加速度a1和小车的加速度a2各为多大?
(3)试通过计算说明小物体能否从小车上滑下?求出小车最终的速度大小。
正确答案
(1)FB=15N
(2)a1= 4m/s2;a2=2m/s2
(3)1.0m/s
解析
(1)小物体在圆弧上滑动,由动能定理得
圆弧最低点,由牛顿第二定律得
由牛顿第三定律得小物体对轨道的压力FB′=FB=15N
(2)小物体:
小车:
a1=4m/s2
a2=2m/s2
(3)设小物体没有从小车上滑下去,则最终两者速度相等
相对位移
物体没有从小车上滑下去,最终和小车以相同的速度运动
=1.0m/s
知识点
特战队员在进行素质训练时,抓住一端固定在同一水平高度的不同位置的绳索,从高度一定的平台由水平状态无初速开始下摆,如图所示,在到达竖直状态时放开绳索,特战队员水平抛出直到落地。不计绳索质量和空气阻力,特战队员可看成质点。下列说法正确的是
正确答案
解析
略
知识点
在竖直平面内有一个粗糙的圆弧轨道,其半径R=0.4m,轨道的最低点距地面高度h=0.45m.一质量m=0.1kg的小滑块从轨道的最高点A由静止释放,到达最低点B时以一定的水平速度离开轨道,落地点C距轨道最低点的水平距离x=0.6m.空气阻力不计,g取10m/s2,
求:
(1)小滑块离开轨道时的速度大小;
(2)小滑块运动到轨道最低点时,对轨道的压力大小;
(3)小滑块在轨道上运动的过程中,克服摩擦力所做的功.
正确答案
见解析。
解析
(1)小滑块离开轨道后做平抛运动,设运动时间为t,初速度为v,则
解得:
(2)小滑块到达轨道最低点时,受重力和轨道对它的弹力为N,根据牛顿第二定律:
解得:
根据牛顿第三定律,轨道受到的压力大小
(3)在滑块从轨道的最高点到最低点的过程中,根据动能定理:
所以小滑块克服摩擦力做功为0.2J。
知识点
如图所示,一固定的1/4圆弧轨道,半径为1.25m,表面光滑,其底端与水平面相切,且与水平面右端P点相距6m。轨道的下方有一长为l.5m的薄木板,木板右侧与轨道右侧相齐。现让质量为lkg的物块从轨道的顶端由静止滑下,当物块滑到轨道底端时,木板从轨道下方的缝隙中冲出,此后木板在水平推力的作用下保持6m/s的速度匀速运动,物块则在木板上滑动。当木板右侧到达P点时,立即停止运动并被锁定,物块则继续运动,最终落到地面上。已知P点与地面相距1.75m,物块与木板间的动摩擦因数为0.1,取重力加速度g=10m/s2,不计木板的厚度和缝隙大小,求:(结果保留两位有效数字)
(1)物块滑到弧形轨道底端受到的支持力大小;
(2)物块离开木板时的速度大小;
(3)物块落地时的速度大小及落地点与P点的水平距离。
正确答案
(1)30N
(2)
(3)3.5m
解析
(1)对物块
解得
(2)木板运动时间
对物块
(3)由机械能守恒定律得
物块在竖直方向
物块在水平方向
知识点
16.如图所示,一根细线下端拴一个金属小球,细线的上端固定在金属块
上,
放在带小孔(小孔光滑)的水平桌面上,小球在某一水平面内做匀速圆周运动(圆锥摆)。现使小球改到一个更高一些的水平面上做匀速圆周运动(图中
位置),两次金属块
都静止在桌面上的同一点,则后一种情况与原来相比较,下面的判断中正确的是( )
正确答案
解析
设细线与竖直方向的夹角为θ,细线的拉力大小为,细线的长度为
。
球做匀速圆周运动时,由重力和细线的拉力的合力提供向心力,如图,则有:
,
,得角速度
,周期
。使小球改到一个更高一些的水平面上做匀速圆周运动时,θ增大,
减小,则得到细线拉力
增大,角速度增大,周期
减小。对
球,由平衡条件得知,
受到桌面的静摩擦力变大,故A、B错误,C正确;金属块
保持在桌面上静止,根据平衡条件得知,
受到桌面的支持力等于其重力,保持不变,故D错误。
知识点
15.如图所示,质量的滑块(可视为质点),在水平牵引功率恒为
的力作用下从
点由静止开始运动,一段时间后撤去牵引
功率,当滑块由平台边缘
点飞出后,恰能从竖直光滑圆弧轨道
上
点的切线方向切入轨道,且此时的速度大小为5m/s,∠COD=53°,并从轨道边缘
点竖直向上飞出。已知
间的距离
,滑块与平台间的动摩擦因数
,圆弧轨道半径
。重力加速度
取
,不计空气阻力。
,
求:
(1)滑块运动到点时的速度大小;
(2)滑块对圆弧轨道的最大压力;
(3)滑块在平台上运动时水平牵引功率的牵引时间;
正确答案
见解析。
解析
(1)滑块由B至C的过程中做平抛运动
水平方向:
竖直方向:
解得:
(2)滑块由A至B的过程中,F作用时间内做匀加速直线运动
;
;
撤去F后滑块做匀减速直线运动
;
;
联立得:
(3)由B至C的过程根据动能定理
得 因此
滑块从E点上抛至落回的时间用表示,则
滑块沿圆弧轨道由C到E过程,设克服摩擦力做的功为
根据动能定理:
可得: 由E点返回到C点过程,
由于
又因为返回过程中,克服摩擦力做功,故滑决一定能再次经过C点
知识点
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