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简答题

如图所示,水平路面CD的左侧有一固定的平台,平台上表面AB长s=3 m。光滑半圆轨道AFE竖直固定在平台上,半圆轨道半径R=0.4 m,最低点与平台AB相切于A。板长L1=2 m,上表面与平台等高。小物块放在板的最右端,并随板一起向平台运动。当板的左端距离平台L=2 m时,板与物块向左运动的速度v0=8 m/s。当板与平台的竖直墙壁碰撞后,板立即停止运动,物块在板上滑动。已知板与路面的动摩擦因数μ1=0.05,物块与板上表面及轨道AB的动摩擦因数μ2=0.1,物块质量m=1 kg,取g=10 m/s2。求:

(1)求物块进入半圆轨道时对轨道上A点的压力;

(2)判断物块能否到达半圆轨道的最高点E。如果能,求物块离开E后在平台上的落点到A的距离;如果不能,则说明理由。

正确答案

解:(1)物块随板运动撞击平台时的速度v1满足:

物块到A点时速度为v2满足:

由牛顿第二定律得:

解得:FN=140N

故物块对轨道压力大小为140 N,方向竖直向下

(2)设物块能通过半圆轨道的最高点,且在最高点处的速度为v3,则有:

解得:v3=6m/s

而要使物块能通过半圆轨道的最高点,则v3要大于等于,而

故能通过最高点,做平抛运动,有x=v3t

解得:x=2.4 m

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简答题

如图所示,以速度v0=12 m/s沿光滑地面滑行的小球,上升到顶部水平的跳板上后由跳板飞出,当跳板高度h为多大时,小球飞行的距离s最大?这个距离是多少?(取g=10 m/s2

正确答案

解:设物块飞出高台的速度为v,取地面为零势能面,由机械能守恒定律得

mv02=mv2+mgh,v=

物块做平抛运动的过程中有

s=×==2

可见,当h==m=3.6 m时,物块飞行距离最大

这个最大距离为sm==m=7.2 m

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简答题

如图所示,ABDO悬处于竖直平面内的光滑轨道,AB是半径R=15m的四分之一圆周轨道,半径OA处于水平位置,BDO是直径为15 m的半圆轨道,D为BDO轨道的中央,一个小球P从A点的正上方距水平半径OA高H处自由落下,沿竖直平面内的轨道通过D点时对轨道的压力等于其重力的倍。(g=10 m/s2)

(1)求H的大小;

(2)试讨论此球能否到达BDO轨道的O点,并说明理由;

(3)小球沿轨道运动后再次落到轨道上的速度的大小是多少?

正确答案

解:(1)设小球通过D点的速度为v,通过D点时轨道对小球的支持力为F。则有

 

小球从P点落下直到沿光滑轨道运动到D的过程中,由机械能守恒,有

由上二式可得

(2)设小球能够沿竖直半圆轨道运动到O点的最小速度为vc,则有

设小球至少应从Hc高处落下,且满足

由上二式可得,故可知小球可以通过O点

(3)小球由H落下通过O点的速度为:

小球通过O点后做平抛运动,设小球经时间t落到AB圆弧轨道上,建立如图所示的坐标系,有:

 

x=v0t,

且x2+y2=R2由上三式可解得:t=1 s

落到轨道上速度的大小为

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简答题

如图为某种鱼饵自动投放器中的投饵管装置示意图,其下半部AB是一长为2R的竖直细管,上半部BC是半径为R的四分之一圆弧弯管,管口沿水平方向、AB管内有一原长为R、下端固定的轻质弹簧,投饵时,每次总将弹簧长度压缩到0.5R后锁定,在弹簧上端放置一粒鱼饵,解除锁定,弹簧可将鱼饵弹射出去。设质量为m的鱼饵到达管口C时,对管壁的作用力恰好为零。不计鱼饵在运动过程中的机械能损失,且锁定和解除锁定时,均不改变弹簧的弹性势能。已知重力加速度为g。求:

(1)质量为m的鱼饵到达管口C时的速度大小v1

(2)弹簧压缩到0.5R时的弹性势能Ep

(3)已知地面与水面相距1.5R,若使该投饵管绕AB管的中轴线OO'在90°角的范围内来回缓慢转动,每次弹射时只放置一粒鱼饵,鱼饵的质量在到m之间变化,且均能落到水面。持续投放足够长时间后,鱼饵能够落到水面的最大面积S是多少?

正确答案

解:(1)质量为m的鱼饵到达管口C时做圆周运动的向心力完全由重力提供,则:

解得:

(2)弹簧的弹性势能全部转化为鱼饵的机械能,由机械能守恒定律,有:

联立解得:Ep=3mgR

(3)不考虑因缓慢转动装置对鱼饵速度大小的影响,质量为m的鱼饵离开管口C后做平抛运动,设经过t时间落到水面上,离OO'的水平距离为x1,由平抛运动规律,有:

,x1=v1t+R

联立解得:x1=4R

当鱼饵的质量为时,设其到达管口C时速度大小为v2,由机械能守恒定律,有:

联立解得:

质量为的鱼饵落到水面上时,设离OO'的水平距离为x2,则:x2=v2t+R

联立解得:x2=7R

鱼饵能够落到水面的最大面积为:(或8.25πR2)

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简答题

如图所示,光滑绝缘的细圆管弯成半径为R的半圆形,固定在竖直面内,管口B、C的连线水平。质量为m的带正电小球从B点正上方的A点自由下落,A、B两点间距离为4R。从小球(小球直径小于细圆管直径)进入管口开始,整个空间中突然加上一个斜向左上方的匀强电场,小球所受电场力在竖直方向上的分力方向向上,大小与重力相等,结果小球从管口C处离开圆管后,又能经过A点。设小球运动过程中电荷量没有改变,重力加速度为g,求:

(1)小球到达B点时的速度大小;

(2)小球受到的电场力大小;

(3)小球经过管口C处时对圆管壁的压力。

正确答案

解:(1)小球从开始自由下落到到达管口B的过程中机械能守恒,故有

到达B点时速度大小为

(2)设电场力的竖直分力为Fy,水平分力为Fx,则Fy=mg

小球从B运动到C的过程中,由动能定理得

小球从管口C处脱离管后,做类平抛运动,由于经过A点,所以有

联立解得:Fx=mg

电场力的大小为

(3)小球经过管口C处时,向心力由Fx和圆管的弹力N提供,设弹力N的方向向左,则

,解得:N=3mg

根据牛顿第三定律可知,小球经过管口C处时对圆管壁的压力为N'=N=3mg,方向水平向右

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简答题

如图所示,在同一竖直面上,质量为2m的小球A静止在光滑斜面的底部,斜面高度为H=2L。小球受到弹簧的弹性力作用后,沿斜面向上运动。离开斜面后,达到最高点时与静止悬挂在此处的小球B发生弹性碰撞,碰撞后球B刚好能摆到与悬点O同一高度,球A沿水平方向抛射落在水平面C上的P点,O点的投影O'与P的距离为L/2。已知球B质量为m,悬绳长L,视两球为质点,重力加速度为g,不计空气阻力,求:

(1)球B在两球碰撞后一瞬间的速度大小;

(2)球A在两球碰撞前一瞬间的速度大小;

(3)弹簧的弹性力对球A所做的功。

正确答案

解:(1)碰撞后,根据机械能守恒定律,对B球有:

解得:

(2)A、B球碰撞有:

解得:

(3)碰后A球做平抛运动,设平抛高度为y,有:

解得:y=L

对A球应用动能定理得:

解得:

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简答题

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m=0.2kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,BC间光滑,由静止释放,物块过B点后其位移与时间的关系为,物块飞离桌面后由P点沿切线落入圆轨道。g=10m/s2,求:

(1)物体在BD间运动的初速度和加速度;

(2)BP间的水平距离;

(3)判断m能否沿圆轨道到达M点,为什么?

正确答案

解:(1)由

对此有

(2)对P点

, ∴

平抛水平位移

 

(3)

∴不能通过最高点

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简答题

2008年北京奥运会上,我国女子跳马名将、著名的“程菲跳”创建者程菲由于在第二跳——“程菲跳”落地时失误而获铜牌,朝鲜选手洪云仲却依靠“程菲跳”摘得金牌。在跳马运动中,运动员完成空中翻转的动作,能否平稳落地是一个得分的关键,为此,运动员下落着地时在脚接触地面后都有一个下蹲的过程,为的是减小地面对人的冲击力。若某运动员质量为m,重心离脚的高度为h(竖直站立),其做跳马运动时在空中翻转完成动作所用时间为t(运动员跳起后,达最高点时开始做翻转动作,脚触地时停止),脚触地后竖直下蹲的最大距离为s,空气阻力不计,重力加速度为g,求:

(1)起跳后该运动员重心距地面的最大高度;

(2)运动员落地时受到地面的竖直向上的平均作用力大小。

正确答案

解:(1)运动员从最高点下落过程为平抛运动,竖直分运动为自由落体运动。设运动员起跳后重心离地的高度为H,则H-h=gt2

即H=h+gt2(2)设运动员脚刚触地时的竖直分速度为v0,则由机械能守恒,mgH=mv02+mgh

设运动员落地时受到的竖直方向的平均作用力为F,由动能定理得mgs-Fs=0-mv02联立两式得F=mg(1+)

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简答题

从倾角为θ的斜面顶点C处水平抛出一物体,初动能为10 J,物体到达斜面底端B处时,动能变为130 J。不计空气阻力,试求斜面的倾角。

正确答案

解:如图,取过B处的平面为零势能面,由于不考虑空气阻力,由机械能守恒定律得

mgh+mv02=mv2,h=

在竖直方向上h=gt2,t==

在△ABC中,tanθ==

mv02=10得v0=

代入上式得tanθ===

θ=arctan=60°

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简答题

如图所示,滑块在恒定外力F=1.5mg的作用下从水平轨道上的A点由静止出发到B点时撤去外力,又沿竖直面内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AB段与滑块间的动摩擦因数。

正确答案

解:设圆周的半径为R,则在C点:mg=m ①

离开C点,滑块做平抛运动,则2R=gt2/2 ②  V0t=sAB

由B到C过程,由机械能守恒定律得:mvC2/2+2mgR=mvB2/2 ④

由A到B运动过程,由动能定理得:

由①②③④⑤式联立得到:

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