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简答题

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=60 m,倾角θ=37°。水平槽BC长d=2.0 m,BC 面与水面的距离h=0.80 m,人与AB、BC间的动摩擦因数均为μ=0.10。取重力加速度g=10 m/s2,cos37°=0 8,sin37°=0.6。一小朋友从滑梯顶端A点无初速地自由滑下,求:

(1)小朋友沿斜槽AB下滑时加速度的大小a;

(2)小朋友滑到C点时速度的大小v;

(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友在水平方向位移的大小x。

正确答案

解:(1)小朋友沿AB下滑时,受力情况如图所示

根据牛顿第二定律得

又Ff=μFN,FN=mgcosθ

得小朋友滑AB下滑时加速度的大小a=gsinθ-μgcosθ=5.2 m/s2

(2)小朋友从A滑到C的过程中,根据动能定理得

得小朋友滑到C点时速度的人小v=10 m/s

(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友做平抛运动,设此过程经历的时间为t,则

小朋友在水平方向的位移x=vt

解得x=4.0 m

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简答题

某兴趣小组设计了如图所示的玩具轨道,其中“2008”四个等高数字用内壁光滑的薄壁细圆管弯成,固定在竖直平面内(所有数字均由圆或半圆组成,圆半径比细管的内径大得多),底端与水平地面相切。弹射装置将一个小物体(可视为质点)以Va=5m/s的水平初速度由a点弹出,从b点进入轨道,依次经过“8002”后从p点水平抛出。小物体与地面ab段间的动摩擦因数μ=0.3,不计其它机械能损失。已知ab段长L=1.5m,数字“0”的半径R=0.2m,小物体质量m=0.01kg,g=10m/s2。求:

(1)小物体从p点抛出后的水平射程。

(2)小物体经过数字“0”的最高点时管道对小物体作用力的大小和方向。

正确答案

解:(1)设小物体运动到p点时的速度大小为v,对小物体由a运动到p过程应用动能定理得

 ①

小物体自P点做平抛运动,设运动时间为t,水平射程为s,则

 ②,s=vt ③

联立①②③式,代入数据解得s=0.8m ④

(2)设在数字“0”的最高点时管道对小物体的作用力大小为F,取竖直向下为正方向

 ⑤

联立①⑤式,代入数据解得F=0.3N ⑥,方向竖直向下

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如图所示,水平台面AB距地面的高度h=0.80m。质量为0.2kg的滑块以v0=6.0m/s的初速度从A点开始滑动,滑块与平台间的动摩擦因数μ=0.25。滑块滑到平台边缘的B点后水平飞出。已知AB间距离s1=2.2m。滑块可视为质点,不计空气阻力。(g取10m/s2)求:

(1)滑块从B点飞出时的速度大小;

(2)滑块落地点到平台边缘的水平距离s2

(3)滑块自A点到落地点的过程中滑块的动能、势能和机械能的变化量各是多少。

正确答案

解:(1)滑块从A点滑到B点的过程中,克服摩擦力做功,由动能定理

滑动摩擦力f=μmg ②

由①②两式联立,将v0=6.0m/s,s1=2.2m,μ=0.25带入,可得v=5.0m/s

(2)滑块离开B点后做平抛运动,竖直方向做自由落体运动

水平方向做匀速直线运动

由③④两式联立,将h=0.80m,g=10m/s2带入,可得s2=2.0m

(3)落地时的动能E2==4.1J

滑块在A点的初动能为J

由A到落地点滑块的动能增加了J

重力势能减小量为J

机械能的减小量J

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如图所示,光滑水平轨道与半径为R的光滑竖直半圆轨道在B点平滑连接。在过圆心O的水平界面MN的下方分布有水平向右的匀强电场。现有一质量为m,电量为+q的小球从水平轨道上A点由静止释放,小球运动到C点离开圆轨道后,经界面MN上的P点进入电场(P点恰好在A点的正上方,如图。小球可视为质点,小球运动到C点之前电量保持不变,经过C点后电量立即变为零)。已知A、B间距离为2R,重力加速度为g。在上述运动过程中,求:

(1)电场强度E的大小;

(2)小球在圆轨道上运动时最大速率;

(3)小球对圆轨道的最大压力的大小。

正确答案

解:(1)设电场强度为E,小球过C点时速度大小为,小球从A到C由动能定理:

小球离开C点后做平抛运动到P点:

联立方程解得:

(2)设小球运动到圆周D点时速度最大为v,此时OD与竖直线OB夹角设为α,小球从A运动到D过程,根据动能定理:

即:

根据数学知识可得,当α=45°时动能最大

由此可得:

(3)由于小球在D点时速度最大且电场力与重力的合力恰好沿半径方向,故小球在的点对圆轨道的压力最大,设此压力大小为F,由牛顿第三定律可知小球在D点受到的轨道弹力大小也为F,在D点对小球进行受力分析,并建立如图所示坐标系,由牛顿第二定律:

解得:

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如图,半径R=0.4m的圆盘水平放置,绕竖直轴OO′匀速转动,在圆心O正上方h=0.8m高处固定一水平轨道PQ,转轴和水平轨道交于O′点。一质量m=1kg的小车(可视为质点),在F=4N的水平恒力作用下,从O′左侧x0=2m处由静止开始沿轨道向右运动,当小车运动到O′点时,从小车上自由释放一小球,此时圆盘半径OA与x轴重合。规定经过O点水平向右为x轴正方向。小车与轨道间的动摩擦因数μ=0.2,g取10m/s2

(1)若小球刚好落到A点,求小车运动到O′点的速度;

(2)为使小球刚好落在A点,圆盘转动的角速度应为多大?

(3)为使小球能落到圆盘上,求水平拉力F作用的距离范围。

正确答案

解:(1)小球离开小车后,由于惯性,将以离开小车时的速度作平抛运动

小车运动到O'点的速度m/s

(2)为使小球刚好落在A点,则小球下落的时间为圆盘转动周期的整数倍,有

,其中k=1,2,3,……

rad/s,其中k=1,2,3,……

(3)小球若能落到圆盘上,其在O′点的速度范围是:0<v≤1m/s

设水平拉力作用的最小距离与最大距离分别为x1、x2,对应到达O'点的速度分别为0、1m/s

根据动能定理,有

代入数据解得m

根据动能定理,有

代入数据解得m或m

则水平拉力F作用的距离范围1m

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简答题

如图所示为某娱乐场的滑道示意图,其中AB为曲面滑道,BC为水平滑道,水平滑道BC与半径为1.6m的1/4圆弧滑道CD相切,DE为放在水平地面上的海绵垫。某人从坡顶滑下,经过高度差为20m的A点和B点时的速度分别为2m/s和12m/s,在C点做平抛运动,最后落在海绵垫上E点。人的质量为70kg,在BC段的动摩擦因数为0.2。问:

(1)从A到B的过程中,人克服阻力做的功是多少?

(2)为保证在C点做平抛运动,BC的最大值是多少?

(3)若BC取最大值,则DE的长是多少?

正确答案

解:(1)由动能定理:

得:

(2)BC段加速度为:

设在C点的最小速度为,由

BC的最大值为:

BC的长度范围是0--

(3)平抛运动的时间:

BC取最大长度,对应平抛运动的初速度为

平抛运动的水平位移:

DE的长:

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简答题

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=6.0 m,倾角θ=37°,水平槽BC长d=2.0 m,BC面与水面的距离h=0.80 m,人与AB,BC间的动摩擦因数均为μ=0.10。取重力加速度g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6。一小朋友从滑梯顶端A点无初速地自由滑下,求:

(1)小朋友沿斜槽AB下滑时加速度的大小a;

(2)小朋友滑到C点时速度的大小v;

(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友在水平方向位移的大小x。

正确答案

解:(1)小朋友沿AB下滑时,受力情况如图所示

 

根据牛顿第二定律得

又Ff=μFN,FN=mgcosθ

得小朋友沿AB下滑时加速度的大小a=gsinθ-μgcosθ=5.2 m/s2

(2)小朋友从A滑到C的过程中,根据动能定理得

得小朋友滑到C点时速度的大小v=10 m/s

(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友做平抛运动,设此过程经历的时间为t

小孩在水平方向的位移x=vt

解得x=4.0m

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简答题

如图所示,水平台高h=0.8m,台上A点放有一大小可忽略的滑块,质量m=0.5kg,滑块与台面间的动摩擦因数μ=0.5;现对滑块施加一个斜向上的拉力F=5N,θ=37°,经t1=1s,滑块到达平台上B点时撤去拉力,滑块继续运动,最终落到地面上的D点,x=0.4m。(取sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2

(1)求滑块在C点离开台面瞬间的速度;

(2)滑块在AB段的加速度大小;

(3)求AC间的距离。

正确答案

解:(1)在CD段,由平抛规律:

滑块在C点离开台面瞬间的速度

(2)在AB段,滑块受力如图

滑块的加速度

(3)由运动学规律:

在BC段,由动能定理:

AC间的距离

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如图所示,四分之三周长的细圆管的半径R=0.4 m,管口B和圆心O在同一水平面上,D是圆管的最高点,其中半圆周BE段存在摩擦,BC和CE段动摩擦因数相同,ED段光滑;质量m=0.5 kg、直径稍小于圆管内径的小球从距B正上方高H=2.5 m的A处自由下落,从B处进入圆管继续运动直到圆管的最高点D飞出,恰能再次进入圆管。重力加速度g=10 m/s2。求:

(1)小球飞离D点时的速度;

(2)小球在D点时对轨道的压力大小和方向;

(3)小球从B点到D点过程中克服摩擦所做的功。

正确答案

解:(1)小球飞离D点后做平抛运动,有

 ①

 ②

由①②得m/s

(2)小球在D点受到重力mg,假设管道对它的作用力竖直向下为FN,由牛顿第二定律可得

解得FN=-2.5N

由牛顿第三定律可知小球对管道的内壁有压力,压力的大小为2.5N,方向竖直向下

(3)设小球从B到D的过程中克服摩擦力做功Wf

在A到D过程中根据动能定理,有

代入计算得Wf=10 J

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如图所示,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,自然状态时其右端位于B点。水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP,其形状为半径R=0.8m的圆环剪去了左上角135°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离也是R。用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点。用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点释放,物块过B点后其位移与时间的关系为,物块飞离桌边缘D点后由P点沿切线落入圆轨道。g=10m/s2,求:

(1)DP间的水平距离;

(2)判断m2能否沿圆轨道到达M点;

(3)释放后m2运动过程中克服摩擦力做的功。

正确答案

解:(1)

 

(2)若物块能过最高点,其在M点的速度至少为

设物块在P点的速度至少为

在P点时物块的速度

,故物块不能到最高点

(3)设弹簧长为AC时的弹性势能为EP,物块与桌面间的动摩擦因数为μ

释放m1时,

释放m2时,

,可得:

m2在桌面上运动过程中克服摩擦力做功为Wf

可得

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