- 匀变速直线运动的研究
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如图甲所示,有一足够长的粗糙斜面,倾角θ=37°,一滑块以初速度v0=16m/s从底端A点滑上斜面,滑至B点后又返回到A点.滑块运动的图象如图乙所示,
求:(已知:sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度g=10m/s2)
(1)AB之间的距离.
(2)滑块再次回到A点时的速度.
(3)滑块在整个运动过程中所用的时间.
正确答案
(1)由图知 S=m=16m
(2)滑块由A到B a1==
=8m/s2;
上滑过程受重力、支持力和摩擦力,根据牛顿第二定律,有:
mgsinθ+μmgcosθ=ma1;
解得a1=g(sinθ+μcosθ) ①
由B到A过程,受重力、支持力和摩擦力,根据牛顿第二定律,有:
mgsinθ-μmgcosθ=ma2;
解得:a2=g(sinθ-μcosθ) ②
由以上各式得 a2=4m/s2;
vA==8
m/s;
(3)A到B过程,由图象得到:t1=2s;
B到A过程,由速度时间关系公式得到:t2==2
s
t=t1+t2=2(1+)s
答:(1)AB之间的距离为16m;
(2)滑块再次回到A点时的速度为8m/s;
(3)滑块在整个运动过程中所用的时间为2(1+)s.
一水平传送带以2.0m/s的速度顺时针传送,水平部分长为2.0m,其右端与一倾角为θ=37°的光滑斜面平滑相连,斜面长为0.4m,一个可视为质点物块无初速度地放在传送带最左端,已知物块与传送带间动摩擦因数μ=0.2,试问:
(1)物块能否达斜面顶端?若能则说明理由,若不能则求出物块上升的最大高度.
(2)出发后9.5s内物块运动的路程.(sin37°=0.6,g取10m/s2)
正确答案
(1)物块在传送带上先加速后匀速,在摩擦力作用下产生加速度大小为:a1=μg=2(m/s2)
物体做匀加速运动的时间为:t1==1(s);
匀加速运动的距离为:S1=a1
=1(m)
剩下物体匀速距离为:S2=L-S1=1(m);匀速时间为:t2==0.5(s)
然后物块以2m/s的速度滑上斜面,
因为斜面光滑,所以物体在斜面上运动的加速度大小为:a2=gsinθ=6(m/s2)
上升过程历时:t3==
(s);上升距离S3=
=
(m)<0.4m.
所以没有到最高点,上升高度为h=S3sinθ=0.2(m)
(2)物块的运动全过程为:
先匀加速1s,匀速运动0.5s,在斜面上匀减速上升s,在斜面上匀加速下降
s后回到传送带,再经过1s速度减为零,然后加速1s运动到斜面底端…如此往复,周期为
s.
由第一次到达斜面底端算起,还剩8s,恰好完成三个周期∴S=L+6(S1+S3)=10(m)
答:(1)不能到达斜面顶端,上升的最大高度为0.2m;
(2)出发后9.5s内物体的路程为10m.
如图所示,在水平地面上放置一块质量为M的长平板B,在平板的上方某一高度处有一质量为m的物块P由静止开始落下.在平板上方附近存在“相互作用”的区域(如图中虚线所示区域),当物块P进入该区域内,B便会对P产生一个竖直向上的恒力f作用,使得P恰好不与B的上表面接触,且f=kmg,其中k=11.在水平方向上P、B之间没有相互作用力.已知平板与地面间的动摩擦因数μ=2.0×10-3,平板和物块的质量之比M/m=10.在P开始下落时,平板B向右运动的速度v0=1.0m/s,P从开始下落到进入相互作用区域经历的时间t0=2.0s.设平板B足够长,保证物块P总能落到B板上方的相互作用区域内,忽略物块P受到的空气阻力,取重力加速度g=10m/s2.求:
(1)物块P从开始下落到再次回到初始位置所经历的时间.
(2)从物块P开始下落到平板B的运动速度减小为零的这段时间内,P能回到初始位置的次数.
正确答案
(1)物块P进入相互作用区域时的速度为V1,则
v1=gt0=20m/s
物块P从进入相互作用区域到速度减小为零的过程中,受到重力和平板的相互作用,设物块在相互作用区域内的下落的加速度为a,根据牛顿第二定律:
kmg-mg=ma
设在相互作用区域内的下落时间为t,根据运动学公式
t=
而物块从开始下落到回到初始位置的时间
T=2(t+t0)=t0=4.4s.
(2)设在一个运动的周期T内,平板B的速度减小量为△v,根据动量定理有
μMg•2t0+μ(Mg+f)•2t=M△v
解得 △v==9.7×10-3m/s.
P回到初始位置的次数 n==10.3,
n应取整数,即n=10.
答:(1)物块P从开始下落到再次回到初始位置所经历的时间为4.4s.
(2)从物块P开始下落到平板B的运动速度减小为零的这段时间内,P能回到初始位置的次数为10.
一个做匀加速直线运动的物体,在头4s内经过的位移大小为24m,在第二个4s内经过的位移大小是60m.求这个物体的加速度和初速度各是多大?
正确答案
第1个4s内的位移:s1=v0t+at2
第2个4s内的位移:s2=v0(2t)+a(2t)2-(v0t+
at2)
将s1=24m、s2=60m、t=4s代入上式,
解得:a=2.25 m/s2,v0=1.5 m/s
答:这个物体的加速度为2.25 m/s2,初速度为1.5 m/s.
一列火车行驶时的速度为15m/s,关闭发动机后,开始做匀减速直线运动,6s末的速度为12m/s.
求:(1)火车的加速度
(2)20s末的速度
(3)40s末的位移.
正确答案
(1)根据加速度定义式,有
a==
m/s2=0.5m/s2
(2)根据速度施加关系公式,速度减为零需要的时间为:t0==
=30s;
t=20s<30s,故vt=v0+at=15-0.5×10=5m/s
(3)t=40s>30s,故40s内的位移等于30s内的位移,根据速度位移关系公式,有:s==225m;
答:(1)火车的加速度为0.5m/s2;
(2)20s末的速度为5m/s;
(3)40s末的位移为225m.
随着机动车数量的增加,交通安全问题日益凸显.分析交通违法事例,将警示我们遵守交通法规,珍惜生命.一货车严重超载后的总质量为50t,以54km/h的速率匀速行驶.发现红灯时司机刹车,货车即做匀减速直线运动,加速度的大小为2.5m/s2(不超载时则为5m/s2).若前方无阻挡,问(1)从刹车到停下来此货车在超载及不超载时分别前进多远?(2)若车与路面的动摩擦因数μ=0.2,则货车严重超载后车对路面的摩擦力为多大?(g取10m/s2)
正确答案
(1)根据匀变速直线运动的速度位移公式得 v2-v02=2ax,则x=
当超载时,加速度为-2.5m/s2,代入数据 S1=45m
不超载时,加速度为-5m/s2,代入数据 S2=22.5m.
故从刹车到停下来货车在超载及不超载时分别前进45m,22.5m.
(2)摩擦力为:f=μFN=μmg=0.2×50000×10N=1×105N
故货车严重超载后车对路面的摩擦力为1×105N
一物体以12m/s的初速度冲上斜面的最顶端,然后又沿斜面向下运动,返回斜
面底端时的速度大小为10m/s,在此全过程中的v-t图象如图所示,求:
(1)斜面的长度L;
(2)物体从斜面顶端滑到底端所用的时间t;
(3)斜面的倾角θ的正弦值sinθ=?
(4)物体在斜面上运动时受到斜面给它的滑动摩擦力大小是物体所受重力大小的几倍.
正确答案
(1)由图象得斜面的长度
L=
v1
2
t1=×2m=12m
(2)下滑过程由L=
v2
2
t2
得物体从斜面顶端滑到底端所用的时间t=2.4s
(3)上滑过程的加速度a1=
解得:a1=6m/s2
由牛顿第二定律得mgsinθ+Ff=ma1
下滑过程中的加速度大小a2=
a2=m/s2
由牛顿第二定律得mgsinθ-Ff=ma2
解得sinθ=
Ff=m…(1分)
(4)所以Ff=mg,即滑动摩擦力大小是物体所受重力大小的
倍.
答:(1)斜面的长度为12m;
(2)物体从斜面顶端滑到底端所用的时间为2.4s;
(3)斜面的倾角θ的正弦值sinθ=;
(4)物体在斜面上运动时受到斜面给它的滑动摩擦力大小是物体所受重力大小的倍.
如图所示,质量为4kg的物体,静止在水平面上,它受到一个水平拉力F=10N的作用,拉力在作用了一段时间后撤去,撤去F后物体还能继续运动一段时间t2=1s,此时到达B点速度恰好为零.已知物体与水平面间的动摩擦因数为0.2.求(1)撤去推力F前后物体的加速度a1、a2大小分别是多少?(2)全过程的总位移SAB是多少?(g=10m/s2)
正确答案
(1)撤去拉力前,物体的加速度a1==
=0.5m/s2.
撤去拉力后,物体的加速度a2==μg=2m/s2.
(2)匀减速直线运动的初速度v=a2t2=2×1m/s=2m/s
则匀加速直线运动的位移x1==
m=4m.
匀减速直线运动的位移x2==
m=1m
则总位移x=x1+x2=5m.
答:(1)撤去拉力前后的加速度分别为:0.5m/s2、2m/s2.
(2)全过程的总位移SAB是5m.
汽车A沿平直公路以速度v0做匀速直线运动,当它路过某处的同时,有一汽车B开始做初速度为零、加速度为a的匀加速运动去追赶A车,根据上述条件,求:
(1)B追上A所用的时间.
(2)B追上A时B的瞬时速度
(3)在追赶过程中,A和B之间何时有最大距离?这个距离是多少?
正确答案
(1)设经过时间t,摩托车能追上公共汽车,则有
at2=v0t
解得:t=
(2)根据v=at得:v=2v0
(3)当两车速度相等时,两车之间的最远距离.
设经过时间t′两车速度相等,
t′=
两者最大的距离S=v0t′-at′2=
答:(1)B追上A所用的时间为;
(2)B追上A时B的瞬时速度为2v0;
(3)在追赶过程中,经过时间时A和B之间何时有最大距离,这个距离是
据统计,城市交通事故大多因违章引起,在如图所示中,甲、乙两辆汽车分别在相互垂直的道路上,沿各自道宽的中心线(图中虚线所示)向前匀速行驶,当甲、乙两车的车头到十字路口(道路中心线)的距离分别为30m、40m时,道口恰处于红、绿灯转换甲、乙两车均未采取任何减速或制动等措施,以致两车相撞.已知两车型号相同,汽车的车长为5.2m,车宽为1.76m.并已知甲车的车速为v1=40km/h,设两车相撞前均匀速行使.试判断在穿过路口过程中,乙车车速的范围.
正确答案
如图所示取临界分析:设车长为a,车宽为b
若乙车较快,则如图1所示,甲车的车头刚好撞上乙车的车尾
=
解v乙=63.3km/h
若乙车较慢,则如图2所示,
乙车的车头刚好撞上甲车的车尾
=
解v'乙=43.4km/h
故乙车的速度范围是43.3km/h≤v乙≤63.3km/h
答:乙车的速度范围是43.3km/h≤v乙≤63.3km/h.
某一长直的赛道上有一辆赛车,其前方△x=200m处有一安全车正以v0=10m/s的速度匀速前进,这时赛车从静止出发以a=2m/s2的加速度追赶.试求:
(1)赛车出发3s末的瞬时速度大小?
(2)赛车经过多长时间追上安全车?
(3)赛车追上安全车之前,从开始运动起经过多长时间与安全车相距最远?
(4)赛车追上安全车之前与安全车最远相距是多少米?
(5)当赛车刚追上安全车时,赛车手立即刹车,使赛车以4m/s2的加速度做匀减速直线运动,问两车再经过多长时间第二次相遇?(设赛车可以从安全车旁经过而不发生碰撞)
正确答案
(1)由vt=v0+at,赛车出发3s末的瞬时速度大小:
v3=at
∴v3=6m/s
故3s末的瞬时速度大小为6m/s.
(2)设赛车经过时间t追上安全车,则有:
at2-△x=v0t
∴t=20s
故经过20s赛车追上安全车.
(3)当两车速度相等时相距最远,对赛车:
v0=at′
∴t′=5s
故经过5s两车相距最远.
(4)当两车相距最远时,
赛车位移:x赛=at/2
安全车位移:x安=v0t′
两车之间距离△x′=x安+△x-x赛∴△x′=225m
故两车相距的最远距离为225m.
(5)第一次相遇时赛车的速度v20=at20=40m/s
设从第一次相遇起再经过时间T两车再次相遇,则:
v20T+a/T2=v0T
∴T=30s
但赛车速度从40m/s减为零只需10s,
所以两车再次相遇的时间:=v0T/
∴T′=20s
故经过20s两车再次相遇.
北京时间2011年2月18日晚6时,在经历了260天的密闭飞行后,中国志愿者王跃走出“火星-500”登陆舱,成功踏上模拟火星表面,在“火星”首次留下中国人的足迹.王跃拟在“火星”表面进行装置如图所示的实验,将与导轨间动摩擦因数 μ=0.50滑块装上一个遮光板,沿水平导轨匀减速地依次通过光电门A、B.滑块通过光电门的速度分别为 v1=4.0m/s、v2=2.0m/s,从A运动到B的时间为t=1.0s.试求:
(1)滑块运动时的加速度a;
(2)光电门A、B之间的距离s;
(3)“火星”的重力加速度g火.
正确答案
(1)由a=可求得:
滑块运动的加速度:a==-2m/s2
(2)由s=t可得:
光电门AB间的距离s=t=3m;
(3)根据牛顿第二定律有-μmg火=ma,
则 g火=-=4 m/s2
火星的加速度为4m/s2.
电梯从静止开始加速上升,并从此时开始计时,其加速度随时间的变化如图所示:求:
(1)画出电梯的速度随时间的变化图象
(2)电梯在9s内发生的位移为多大.
正确答案
(1)电梯先做加速度a=4m/s2的匀加速直线运动,2s末的速度v=at1=8m/s.然后做匀速直线运动.最后做加速度为-2m/s2的匀减速直线运动,9s末的速度v′=v+a′t′=8-2×4m/s=0m/s.
速度时间图线如图.
(2)在9s内位移x=×(3+9)×8m=48m.
答:(1)速度时间图线如图.
(2)电梯在9s内发生的位移为48m.
如图,传送带与地面倾角为37°,AB长16m,传送带以10m/s的速率逆时针转动,在带上A端无初速的放一质量为0.5kg物体,它与带间的动摩擦因数为0.5,求:
(1)物体从A运动到B分别做何运动;
(2)物体从A运动到B所需时间?
正确答案
(1)开始运动时物体向下做匀加速直线运动:a1==
=0.5×10×0.8+10×0.6=10m/s2
加速时间:t1==
=1s
运动位移:S1==
=5m<16m
第二阶段由于Gx>μN,故物体继续向下做匀加速直线运动;
(2)根据牛顿第二定律,有:
a2==
=10×0.6-0.5×10×0.8=2m/s2第二阶段的位移:s2=L-s1=16-5=11m
s2=vt2+a2
带入数据有:11=10t2+×2×
解得:t2=1s
t总=t1+t2=1+1=2s
答:(1)物体从A运动到B先做加速度为10m/s2的匀加速直线运动,后做加速度为2m/s2的匀加速直线运动;
(2)物体从A运动到B所需时间为2s.
梭梭板(滑板)是儿童喜欢的游乐项目,如图所示,滑板的竖直高度AB为3m,斜面长AC为5m,斜面与水平部分由一小段圆弧平滑的连接.一个质量m为20kg的小孩从滑板顶端由静止开始滑下,最后滑到水平部分上的E点静止.已知小孩与滑板之间的动摩擦因素μ为0.5,不计空气阻力,g取10m/s2,求:
(1)小孩滑到滑板底端C时的速度多大;
(2)小孩从A点开始滑到E点的时间.
正确答案
(1)小孩在AC上做初速度为0的匀加速运动,设加速度为a1,
由牛顿定律知mgsinθ-f=ma1
小孩受到的支持力:N-mgcosθ=0
小孩受到的摩擦力:f=μN
小孩的加速度:a1=gsinθ-μgcosθ=2m/s2
设小孩从A到C时间为t1,到C点速度为vC,
有AC=a1
t1=s
速度为:vC=a1t1=2m/s
(2)在CD上,设加速度为a2,E点速度为0,
有a2==5m/s2
由公式0=vC-a2t2
可得:t2=s
故所求时间t=t1+t2=s
答:(1)小孩滑到滑板底端C时的速度2;
(2)小孩从A点开始滑到E点的时间s.
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