- 匀变速直线运动的研究
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一列火车做匀变速直线运动,一人在轨道旁观察火车的运动,发现在相邻的两个10s内,列车从他跟前分别驶过8节和6节车厢,每节车厢长8m(连接处长度不计).求:
(1)火车的加速度a
(2)此人开始观察时火车速度的大小.
正确答案
在连续相等时间内的位移分别为64m,48m.
根据△x=aT2得,a==
m/s2=-0.16m/s2.
由x=v0T+aT2得,64=v0×10-
×0.16×100
解得v0=7.2m/s.
答:(1)火车的加速度为-0.16m/s2.
(2)人开始观察时火车速度的大小为7.2m/s.
一辆公共汽车由静止出发做匀加速直线运动,加速度大小为3m/s2,4s后改做匀速直线运动快到下一站时关闭发动机以大小为2m/s2的加速度做匀减速直线运动.求
(1)汽车匀速运动时的速度?
(2)汽车在关闭发动机后到停止时所用时间?
(2)汽车在关闭发动机后10s内的位移?
正确答案
(1)v=at=3×4m/s=12m/s.
故匀速运动的速度为12m/s.
(2)根据v=v0+at得,
t==
s=6s
故汽车在关闭发动机后到停止时所用时间为6s.
(3)因为6s<10s
所以10s内的位移与6s内的位移相等.
则x==
m=36m
故汽车在关闭发动机后10s内的位移为36m.
一质量为5kg的滑块在F=15N的水平拉力作用下,由静止开始做匀加速直线运动,若滑块与水平面间的动摩擦因素是0.2,g取10m/s2,问:
(1)滑块运动的加速度是多大?
(2)滑块在力F作用下经5s,通过的位移是多大?
(3)如果力F作用8s后撤去,则滑块在撤去F后还能滑行多远?
正确答案
(1)由牛顿第二定律得
F-μmg=ma
得a==1m/s2
(2)滑块在力F作用下经5s,通过的位移是x=at2=
×1×52m=12.5m
(3)撤去力F时物体的速度v=at=1m/s2×8s=8m/s
根据动能定理得:-μmgs=0-mv2
解得,s==
m=16m.
答:(1)滑块运动的加速度是1m/s2.
(2)滑块在力F作用下经5s,通过的位移是12.5m.
(3)如果力F作用8s后撤去,滑块在撤去F后还能滑行16m.
汽车进站关闭发动机做匀减速直线运动,当滑行x1=300m时,速度恰好减为初速度的一半,接着又滑行了t2=20s才停止.求:汽车滑行的总时间t,关闭发动机时的速度vo和总位移x.
正确答案
设初速度为v0,加速度大小为a,则
速度恰好减为初速度的一半的过程中有:-v0=at1
2ax1=()2-v02
后一半过程中有:0-=at2
带入数据解得:v0=20m/s,a=-0.5m/s2,t1=20s
所以总时间t=t1+t2=40s
总位移为:x ==
m=400m
答:汽车滑行的总时间t为40s,闭发动机时的速度v0为20m/s,总位移x为400m.
质量为10kg的箱子放在水平地面上,箱子和地面的滑动摩擦因数为0.5,现用倾角为37°的100N力拉箱子,箱子从静止开始运动,如图所示,2S末撤去拉力.
求:(Sin37°=0.6,Cos37°=0.8,g=10m/s2)
(1)撤去拉力时箱子的速度为多少?
(2)箱子继续运动多长时间才能静止?
正确答案
(1)物体在拉力F作用下加速滑行,受重力、拉力、支持力和滑动摩擦力,根据牛顿第二定律,有:
Fcosθ-μ(mg-Fsinθ)=ma1,
解得a1=6m/s2,
根据速度时间关系公式,2s末速度为:v=a1t1=6×2=12m/s;
(2)撤去拉力后,物体由于惯性继续滑行,受重力、支持力和滑动摩擦力,根据牛顿第二定律,有:
μmg=ma2,
解得a2=5m/s2,
匀减速过程,根据速度时间关系公式,有v=a2t2
解得t2=2.4s;
(1)撤去拉力时箱子的速度为12m/s;
(2)箱子继续运动2.4s时间才能静止.
如图所示,光滑水平面上静止放置着一辆平板车A.车上有两个小滑块B和C(都可视为质点),B与车板之间的动摩擦因数为μ,而C与车板之间的动摩擦因数为2μ,开始时B、C分别从车板的左、右两端同时以大小相同的初速度v0相向滑行.经过一段时间,C、A的速度达到相等,此时C和B恰好发生碰撞.已知C和B发生碰撞时两者的速度立刻互换,A、B、C三者的质量都相等,重力加速度为g.设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力.
(1)求开始运动到C、A的速度达到相等时的时间;
(2)求平板车平板总长度;
(3)已知滑块C最后没有脱离平板,求滑块C最后与车达到相对静止时处于平板上的位置.
正确答案
(1)设A、B、C三个物体的质量都为m,从开始到C、A的速度达到相等的过程所用时间为t,C、A相等的速度为vC,根据动量定理得
对C:-2μmgt=mvC-mv0
对A:(2μmg-μmg)t=mvC
联立解得,t=,vC=
v0
(2)对B,由动量定理得,
-μmgt=mvB-mv0
得到,vB=v0
对C:xC=t,
对B:xB=t
平板车平板总长度L=xB+xC
解得,L=
(3)对A:xA==
,A、B、C三者的位移和末速度分别为:xA=
,方向向左;
xB=,方向向右;xC=
,方向向左.
vA=vC=v0,方向向左;vB=
v0,方向向右.C和B发生碰撞时两者的速度立刻互换,则碰撞后C和B的速度各为:vC′=
v0,方向向右,vB′=
v0,方向向左.
碰撞后B和A的速度相等,设B和A保持相对静止一起运动,此时对B和A整体有fC=2μmg=2ma
对B:B受到的摩擦力为fB′=ma=μmg,说明B和A保持相对静止一起运动.
设C最后停在车板上时,共同速度为v,由动量守恒定律得
mvC′-2mvB′=2mv
可得,v=0
对这一过程,对C,由动能定理得
-2μmgSC′=0-m
对B和A整体,由动能定理得
-2μmgSA′=0-2m
解得,C和A的位移分别是
SC′=,向右,SA′=
,向左.
则C先相对于车板向左移动x1=xC-xA=,后相对于车板向右移动S=SC′-SA′=
,恰好回到原来的位置,即滑块C最后停在车板的右端.
答:
(1)开始运动到C、A的速度达到相等时的时间为t=;
(2)平板车平板总长度L=;
(3)滑块C最后停在车板的右端.
放在光滑水平桌面上的物体(可视为质点),质量为m=4kg,当受到F=0.8N的水平推力时,由静止开始做匀加速直线运动,4s后物体恰好从桌边下落.已知桌面高h=0.8m,重力加速度g=10m/s2.求:
(1)物体在桌面上运动的距离s;
(2)物体落地点距桌边的水平距离x.
正确答案
(1)在光滑水平桌面上,根据牛顿第二定律:
a==0.2m/s2
S=at2=1.6m
vx=at=0.8m/s
(2)离开桌面后,物体做平抛运动,
竖直方向上:h=gt2,解得t=0.4s;
水平方向上:x=vxt=0.32m;
答:(1)物体在桌面上运动的距离s为1.6m;
(2)物体落地点距桌边的水平距离x为0.32m.
一位观察者站在一列火车的第一节车厢的前端的站台上进行观察,火车从静止开始作匀加速直线运动,第一节车厢全部通过需时4秒,整个列车通过此人用12秒.问:
(1)这列车共有几节车厢?
(2)最后 4秒通过几节车厢?
(3)最后一节车厢通过需要多少时间?
正确答案
(1)这列车共有n节车厢,每节车厢的长度为L:
则有:=
n=代入数据得
n==9(节)
(2)最后4秒通过n′节车厢=
n′=n-=9-
(节)
(3)最后一节车厢通过需要时间为t″==
⇒=
=0.69秒
答:这列车共有9节车厢,最后4秒通过5节车厢,最后一节车厢通过需要时间为0.69秒.
国庆60周年阅兵中,质量为m的战斗机接受检阅后返回某机场,降落在跑道上的减速过程可简化为两个匀减速直线运动:飞机以速度95m/s着陆后立即打开减速阻力伞,加速度大小为2.5m/s2,运动时间为20s;随后在无阻力伞情况下减速直至停下.在平直跑道上减速滑行总路程为 2075m.求:第二个减速阶段飞机运动的时间和加速度大小.
正确答案
以飞机的运动方向为正方向.
初速度v0=95m/s,a1=-2.5m/s2,t1=20s x=2075m
第一阶段:由运动学公式v=v0+at,得
第一阶段减速的末速度v=95+(-2.5)×20=45(m/s)
由v2-v02=2ax1得,第一阶段减速位移x1==
=1400m
又 x=x1+x2得,第二阶段位移:x2=2075-1400=675m
由平均速度公式x2=t2,得第二阶段运动时间为
t2==
s=30s,
加速度为:a2==
m/s2=-1.5m/s2
答:第二个减速阶段飞机运动的时间为30s,加速度大小为2.5m/s2.
2005年是“世界物理年”,为激发广大青少年对物理学的兴趣,提高人们对物理学在当今社会重要作用的认识,英国和爱尔兰将今年定为“爱因斯坦年”.剑桥大学物理学家海伦•杰尔斯基研究了各种自行车特技的物理学原理,并通过计算机模拟技术探询特技动作的极限,设计了一个令人惊叹不已的高难度动作--“爱因斯坦空翻”,并在伦敦科学博物馆由自行车特技运动员(18岁的布莱士)成功完成.现将“爱因斯坦空翻”简化模型如图,质量为m的自行车运动员从B点由静止出发,经BC圆弧,从C点竖直冲出,完成空翻,完成空翻的时间为t,由B到C的过程中,克服摩擦阻力做功为W,空气阻力忽略不计,重力加速度为g,试求:自行车运动员从B到C至少做多少功?
正确答案
运动员由C到D过程做竖直上抛,设初速度为V0,
则有:0=V0-g得V0=
gt
运动员从B到C至少做功为W0,由动能定理:W0-W=mV02
解得:W0=W+mg2t2
答:自行车运动员从B到C至少做功为W+mg2t2.
甲车以10m/s的速度匀速运动,在某时刻经过乙车身边,此时乙车的速度为2m/s,加速度为0.2m/s2,若甲乙两车运动方向相同,公路是平直的,问:
(1)当乙车速度多大时,乙车落后于甲车的距离最大?这个距离是多少?
(2)当乙车的速度多大时,乙车追上甲车.乙车追上甲车所需的时间是多少?
正确答案
(1)当甲乙速度相等时距离最大,即v甲=v乙得到v0+at=v甲 解得t==40s
40s末甲的位移为x1=vt=400m;
乙的位移为x2=t=240m
故乙车落后于甲车的距离最大为S=x1-x2=160m.
(2)设时间t相遇,则位移关系有
v甲t=v0t+at2
代入解得10t=2t+×0.2×t2⇒t=80s
此时乙车的速度为v乙=v0+at=18m/s
答:(1)当乙车速度等于10m/s时,乙车落后于甲车的距离最大,这个距离是160m.
(2)当乙车的速度18m/s时,乙车追上甲车.乙车追上甲车所需的时间是80s.
如图所示,在倾角θ=370的足够长的固定斜面底端有一质量m=1.0kg的物体,物体与斜面间动摩擦因数μ=0.25,现用平行斜面向上拉力F=10N将物体由静止沿斜面向上拉动,经时间t=4.0s撤去F,(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2)求:
(1)撤去力F时物体的速度大小.
(2)物体从撤去外力之后沿斜面上滑的最大距离.
正确答案
(1)对物体受力分析如图所示,将重力进行正交分解,
F1=mgsin37°
FN=F2=mgcos37°
由牛顿第二定律可得:F-f-F1=ma1
f=μFN=μmgcos37°
解得:a=2m/s2
由运动学方程:v=a1t=8m/s
(2)撤去外力后,受力分析如图所示,
由牛顿第二定律得:-(F+f)=ma2
解得:a2=8m/s2
撤去外力之后,物体做匀速直线运动,
由运动学方程:x==4m
答:(1)撤去力F时物体的速度大小8m/s;
(2)物体从撤去外力之后沿斜面上滑的最大距离4m.
如图所示,在质量为mB=30kg的车厢B内紧靠右壁,放一质量mA=20kg的小物体A(可视为质点),对车厢B施加一水平向右的恒力F,且F=120N,使之从静止开始运动.测得车厢B在最初t=2.0s内移动s=5.0m,且这段时间内小物块未与车厢壁发生过碰撞.车厢与地面间的摩擦忽略不计.
(1)计算B在2.0s的加速度.
(2)求t=2.0s末A的速度大小.
(3)求t=2.0s内A在B上滑动的距离.
正确答案
(1)设t=2.0s内车厢的加速度为aB,由s=aBt2得aB=2.5m/s2.
(2)对B,由牛顿第二定律:F-f=mBaB,得f=45N.
对A据牛顿第二定律得A的加速度大小为aA==2.25m/s2
所以t=2.0s末A的速度大小为:VA=aAt=4.5m/s.
(3)在t=2.0s内A运动的位移为SA=aAt2=4.5m,
A在B上滑动的距离△s=s-sA=0.5m
答:(1)B在2.0s的加速度为2.5m/s2;
(2)t=2.0s末A的速度大小为4.5m/s;
(3)t=2.0s内A在B上滑动的距离为0.5m.
一玩具火车A的制动性能经过测定:当它以速度0.2m/s在水平平直轨道上行驶时,在制动后需要40s才能停下.现这列玩具火车正以0.2m/s的速度在水平轨道上行驶,在其侧前方75cm处有另一玩具火车B正以0.06m/s的速度在一旁的平行轨道上同向行驶.现对玩具火车A采取制动措施,问:两车是否会发生会车?会车几次?会车发生在什么时刻?(说明:会车是指相向行驶的列车、汽车等同时在某一地点交错通过)
对于上述问题,小王同学是这样认为的:两玩具火车相遇时,有SA=SB0.75+0.06t=0.2t-t2/400
解上述方程组,得到本题的结果.因为是二次方程,有两个解,故两小车相遇两次.
小王同学的理解正确吗?如果你认为他的理解是正确的,则解出相遇的时间;如果你认为他的理解是有问题的,则给出简要的分析说明,并给出你的结果.
正确答案
该同学的解法时错误的.
这玩具火车的加速度为a,则
由v0=0.2m/s,t=40s,v=0,则a==-
m/s2=-0.005m/s2.
设两列玩具火车在t′时刻相遇,则
v0t′+at′2=0.75m+v1t′
代入得:0.2t′-×0.005t′2=0.75+0.06t′
解得:t1′=6s,t2′=50s
由于这列火车制动时间为40s,t2′不合理,说明两列车相遇后,这列玩具车向前运动停止后,另一列火车与之相遇.
由题得,这列玩具制动的总位移为S=t=4m
设第二次相遇在t″时刻,则
S=0.75m+v1t″
代入解得:t″≈54.17s
答:两车相会两次,分别在6s和54.17s两个时刻.
要求摩托车由静止开始在尽量短的时间内走完一段直道,然后驶入一段半圆形的弯道,但在弯道上行驶时车速不能太快,以免因离心作用而偏出车道.求摩托车在直道上行驶所用的最短时间.有关数据见表格.(提示:可用图象法解)
正确答案
设最大速度为Vm,则
S=+
代入数据243=+
解得vm=36m/s,
所以加速时间为t1==
s=9s
减速时间为:t2==
s=3s
所以在直道上运动的最短时间是t=t1+t2=9s+3s=12s
答:摩托车在直道上行驶所用的最短时间是12s.
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