- 匀变速直线运动的研究
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飞机着陆后做匀减速滑行,着陆时的初速度是60m/s,在最初2s内滑行114m,求飞机着陆后25s内滑行多远?
正确答案
根据x=v0t+at2得:
114=60×2+×a×4,
解得加速度为:a=-3m/s2.
根据速度时间公式得,飞机减速到零所需的时间为:t==
s=20s<25s.
则飞机着陆25s内滑行的位移为:x==
m=600m.
答:飞机着陆后25s内的位移为600m.
国家航天局曾利用教练机对航天员进行失重训练.训练时,教练机从地面以一定的倾角爬升到8000米高空,然后以200m/s的初速度竖直向上作匀减速直线运动,加速度大小为g,飞机到达最高点后立即掉头,仍以加速度g竖直向下做加速运动.为了飞机安全,向下加速运动的最低点不能低于2000米.求:飞机一次上下运动为航天员创造的完全失重的时间?
正确答案
上升时间t1==
s=20s
上升的高度h1==2000m
加速下降的高度h2=8000+2000-2000m=8000m
由h2=ht22得,t2=40s
则飞机一次上下运动为航天员创造的完全失重的时间为t=t1+t2=60s.
答:飞机一次上下运动为航天员创造的完全失重的时间为60s.
滑雪者及滑雪板总质量m=75kg,以v0=2.0m/s的初速度沿山坡匀加速滑下,山坡的倾角θ=30°,在t=5.0s的时间内滑下的距离s=60m.设阻力的大小不变,重力加速度g取10m/s2,求:
(1)滑雪人下滑加速度的大小;
(2)滑雪板及人受到的阻力的大小.
正确答案
(1)设滑雪的人下滑的加速度大小为a,根据运动学公式s=v0t+at2
得:a=
解得:a=4.0m/s2
(2)设滑雪板及人受到的阻力为f,沿斜面方向由牛顿第二定律得:
mgsinθ-f=ma
即:f=mg sinθ-ma.
解得:f=75N
答:(1)滑雪人下滑加速度的大小为4.0m/s2;
(2)滑雪板及人受到的阻力的大小为75N.
如图所示,静止在粗糙水平面上的斜面体有三个光滑斜面AB、AC和CD.已知斜面AB与水平方向成37°角,斜面AC与水平方向成53°角,斜面CD与水平方向成30°角,A点与C点的竖直高度为h1=0.8m,C点与D点的竖直高度为h2=3.25m.在B点左侧的水平面上有一个一端固定的轻质弹簧,自然长度时弹簧右端到B点的水平距离为s=3.9m.质量均为m=1kg的物体甲和乙同时从顶点A由静止释放,之后甲沿斜面AB下滑,乙沿AC下滑.在甲乙两物体下滑过程中,斜面体始终处于静止状态,且两物体运动中经过B点、C点、D点时,速度大小不改变,只改变方向.甲进入水平面后向左运动压缩弹簧的最大压缩量为x=0.1m,乙物体进入水平面后便向右运动最终停止.已知甲物体与水平面的动摩擦因数为μ=0.6,sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2.求:
(1)弹簧的最大弹性势能为多少?
(2)甲物体最终停止位置距B点多远?
(3)通过计算,说明甲乙两物体是否同时滑到水平面上?
正确答案
(1)当滑块甲运动到最左端时,弹簧的弹性势能最大,对滑块甲从A到最左端过程运用动能定理,得到
mg(h1+h2)-μmg(S+x)-W弹=0-0
弹簧弹力做的功等于弹性势能增加量,故
Epm=W弹
解得
Epm=mg(h1+h2)-μmg(S+x)=1×10×(0.8+3.25)-0.6×1×10×(3.9+0.1)=16.5J
即弹簧的最大弹性势能为16.5J.
(2)对甲物体从开始到停止运动的整个过程运用动能定理,有
mg(h1+h2)-μmg•L=0-0
解得
L==6.75m
故甲物体最终停止位置距B点为:x1=2(h1+h2)-L=1.25m.
(3)甲物体受重力、支持力,根据牛顿第二定律,有
mgsin37°=ma1
根据位移时间公式,有
=
a1
解得
t1=1.5s
对于乙物体,在倾角为53°的斜面上时,加速度设为a2,在倾角为30°的斜面上时,加速度设为a3
根据牛顿第二定律,有
mgsin53°=ma2
mgsin30°=ma3
根据运动学公式,有
=
a2
v=a2t2
=vt3+
a3
解得
t2=0.5s
t3=1s
故t1=t2+t3
即甲乙两物体同时到达水平面上.
某人站在高楼的平台边缘处,以v0=20 m/s的初速度竖直向上抛出一石子.求抛出后,石子经过距抛出点15 m处所需的时间.(不计空气阻力,g取10 m/s2)
正确答案
石子做竖直上抛运动,由v2=2gh得,石子上升的最大高度H=20m>15m;
以竖直向上为正方向,当石子在抛出点上方15m处时,由匀变速运动的位移公式得:
x=v0t+at2,即:15=20t+
×(-10)t2,解得:t1=1s,t2=3s;
当石子在抛出点下方15m处时,由x=v0t+at2,得-15=20t+
×(-10)t2,
解得:t3=(2+)s;
答:抛出后,石子经过距抛出点15 m处所需的时间可能为1s,3s或(2+)s.
2010年10月1日,探月工程二期的技术先导星“嫦娥二号’’在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭发射升空,标志着我国探月工程又向前迈出重要一步.火箭起飞时质量为345吨,起飞推力为4.5×106N,火箭发射塔高100m.
求:(1)火箭起飞时的加速度大小
(2)在火箭推力不变的情况下,若不考虑空气阻力、火箭质量及其他的变化,火箭起飞后,经过多长时间飞离发射塔.(g=l0m/s2,结果保留2位有效数字)
正确答案
(1)火箭起飞时,受重力和起飞推力,
由牛顿第二定律得:F-mg=ma
代入数据求得:a≈3.04m/s2(2)不考虑空气阻力、火箭质量及其他的变化,起飞后火箭做匀加速直线运动,设脱离火箭用时为t
由x=at2 得t=
=
s=8.1s
答:火箭起飞时的加速度为3.04m/s2;脱离发射塔用时8.1s.
如图,A、B两物体相距s=7m时,A在水平拉力和摩擦力作用下,正以va=4m/s的速度向右匀速运动,而物体B此时正以vB=10m/s的初速度向右匀减速运动,加速度a=-2m/s2,求A追上B所经历的时间.
正确答案
物体A做匀速直线运动,位移为:xA=vAt=4t
物体B做匀减速直线运动减速过程的位移为:xB=vBt+at2=10t-t2
设速度减为零的时间为t1,有t1==5s
在t1=5s的时间内,物体B的位移为xB1=25m,物体A的位移为xA1=20m,由于xA1+S>xB1,故物体A未追上物体B;
5s后,物体B静止不动,故物体A追上物体B的总时间为:t总==
=8s
答:A追上B所经历的时间为8s.
某飞机起飞的速度是50m/s,在跑道上加速时可能产生的最大加速度是4m/s2,求飞机从静止到起飞成功需要跑道最小长度为多少?飞机从开始滑行至起飞需时间为多少?
正确答案
根据公式v2-=2ax,有:
跑道的长度为:l==
=312.5m;
根据公式v=at,可知飞机的起飞时间为:
t==
=12.5s
故飞机从静止到起飞成功需要跑道最小长度为s=312.5m,飞机从开始滑行至起飞需时间t=12.5s.
一辆汽车以108km/h的速度行驶,现因紧急刹车,并最终停止运动,已知汽车刹车过程的加速度大小是6m/s2,则:
(1)汽车从开始刹车经过多长时间停止运动?
(2)汽车从开始刹车到停止运动通过的距离?
正确答案
(1)108km/h=30m/s
由:v=v0+at,v=0,
得:t==
=5s
(2)根据2ax=v2-v02得:
x=75m
答:(1)从开始刹车经过5s停止运动;
(2)从开始刹车到停止通过的距离为75m.
已知一足够长斜面倾角为θ=37°,一质量m=10kg物体,在斜面底部受到一个沿斜面向上的F=100N的力作用由静止开始运动,物体在2秒内位移为4m,2秒末撤去力F,(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2)求:
(1)物体与斜面间的动摩擦因数μ;
(2)从撤去力F开始2秒末物体的速度v.
(3)从撤去力F开始多长时间后物体回到斜面体的底部.
正确答案
(1)设物体在前2s内的加速度大小为a1,由x1=a1
得
a1==2m/s2
物体匀加速运动的过程中,受到重力mg、斜面的支持力N、摩擦力f和拉力F,根据牛顿第二定律得
F-f-mgsin37°=ma1
又f=μN=μmgcos37°
代入解得,μ=0.25
(2)撤去F后,物体继续向上做匀减速运动,当速度减小到零时,物体的位移达到最大值.设这个过程中物体的加速度大小为a2,位移大小为x2,时间为t2,刚撤去F时物体的速度大小为v1,则有v1=a1t1=4m/s
根据牛顿第二定律得:
f+mgsin37°=ma2
解得a2=8m/s2
则t2==0.5s,
由02-v12=-2a2x2得
x2==1m
所以从开始运动起,物体在斜面上运动的最大位移为x=x1+x2=5m.
由于μ<tan37°,故物体将从最高点下滑.
设下滑的加速度大小为a3,则
mgsin37°-μmgcos37°=ma3,
解得,a3=4m/s2,从撤去力F开始2秒末物体的速度v=a3t3=4×1.5=6m/s
(3)从最高点到斜面底部所用的时间为t4,则有
x=a3
代入解得,t4=s≈1.56s
故从撤去力F开始物体回到斜面体的底部所用的时间为t′=t2+t4=2.16s.
答:(1)物体与斜面间的动摩擦因数μ是0.25;
(2)从撤去力F开始2秒末物体的速度v是6m/s.
(3)从撤去力F开始2.16s时间后物体回到斜面体的底部.
升降机以速度v=4.9m/s匀速竖直上升,升降机内的天花板上有一个螺丝帽突然松脱,脱离天花板.已知升降机天花板到其地板的高度为h=2.4m,求螺丝帽落到升降机地板所需的时间.(g取9.8m/s2,结果为一位有效数字)
正确答案
以地面为参考系,螺丝帽松脱后的初速度v0=v=4.9m/s.做竖直上抛运动,设经时间t螺丝帽落到升降机的地板上,则
升降机的位移x1=vt
螺丝帽的位移x2=vt-gt2
x1-x2=h
解得t=0.7s.
答:螺丝帽落到升降机地板所需的时间为0.7s.
雪橇自A点由静止沿山坡匀加速下滑,然后在水平面上作匀减速运动,最后停止于C点,已知AB=10m,BC=20m,走完全程共用15s,求雪橇在AB和BC运动中的加速度a1和a2各是多少?
正确答案
AB段和BC段的平均速度都为=
.则
t1+
t2=30m则vB=
m/s=4m/s
所以a1==
m/s2=0.8m/s2
a2==
m/s2=-0.4m/s2.
故雪橇在AB和BC段运动的加速度分别为0.8m/s2和-0.4m/s2.
如图所示为某粮仓中由两台皮带传送机组成的传输装置示意图.设备调试时,将倾斜传送机的传送带与水平地面间调成倾角θ=37°,使水平传送机的转动轮边缘以5m/s的线速度沿顺时针方向匀速转动.A、B两端相距L=3m,C、D两端相距较远.现将质量m=10kg的一袋大米无初速的放在A端,它随传送带到大B端后,速度大小不变地传到倾斜传送带的C端,米袋与两传送带之间的动摩擦因数均为μ=0.5,最大静摩擦力大小与滑动摩擦力大小相等(已知g=10m/s2、sin37°=0.6、cos37°=0.8,传送机运动时传送带与转动轮之间无滑动).
(1)求米袋从A端运动到B端所用的时间;
(2)若倾斜传送带CD不运动,则米袋沿传送带CD所能上滑的最大距离是多少?
(3)将倾斜传送带开动使转动轮沿顺时针方向转动时发现,无论转动速度多大,米袋都无法运送到距C端较远的D端,试分析其原因.欲使米袋能运送到D端应怎样调试倾斜的传送带?
正确答案
(1)米袋在传送带的滑动摩擦力作用下做匀加速直线运动,在水平方向开始只受滑动摩擦力故有:F合=f=μmg=ma1
所以米袋的加速度为:a1=μg=5m/s2
米袋在水平传送带上的最大速度为vmax=5m/s,所以其加速时间为t1==1s,这过程中米袋的位移为:x1=
a1
=2.5m
∵x1<L
∴米袋匀速运动位移为:x2=L-x1=0.5m
米袋匀速运动时间为:t2==0.1s
所以米袋从A到B的时间为:t=t1+t2=1.1s
(2)如图米袋在斜传送带上的受力:
米袋在斜传送带上所受合力为:
=mgsinθ+f=mgsinθ+μmgcosθ
根据牛顿第二定律米袋产生的加速度为:
a2==gsinθ+μgcosθ=10m/s2
因为合力方向沿传送带向下,故米袋做匀减速直线运动,则米袋在CD上上升的最大距离为:
Xmax==
m=1.25m
(3)因为mgsinθ>μmgcosθ,所以无论传送带如何顺时针转动,米袋所受合力均沿传送带向下
以米袋向上运动过程中滑摩擦力始终沿传送带向上,此时米袋产生的加速度a3=gsinθ-μgcosθ=2m/s2,所以米袋上升的最大距离为:
x3==6.25m
因为CD相距较远,超过了6.25m,所以米袋无法到达D点.
根据题意,调试使米袋可以到达D点,只有减小传送带的倾角θ即可.
答:(1)A至B端所用时间为1.1s;
(2)传送带不动,米袋在CD上上滑的最大距离为1.25m;
(3)调试的方法是减小传送带的倾角θ.
如图所示,有两个高低不同的光滑水平面,一质量M=5kg、长L=2m的平板车靠高水平面边缘A点放置,上表面恰好与高水平面平齐.一质量m=1kg可视为质点的滑块静止放置,距A点距离为L0=3m,现用大小为6N、水平方向的外力F拉小滑块,当小滑块运动到A点时撤去外力,滑块以此时的速度滑上平板车.滑块与平板车间的动摩擦因数μ=0.5,取
g=10m/s2.
(1)求滑块滑动到A点时的速度大小;
(2)求滑块滑动到平板车上时,滑块和平板车的加速度大小分别为多少?
(3)通过计算说明滑块能否从平板车的右端滑出.
正确答案
(1)根据动能定律有:FL0=m
-0
解得:v0=6m/s.
故滑块滑动到A点时的速度大小为:v0=6m/s.
(2)根据牛顿第二定律有:
对滑块有:mgμ=ma1,解得滑块的加速度大小为:a1=5m/s2;
对平板车有:mgμ=Ma2,解得平板车加速度大小为:a2=1m/s2.
故滑块滑动到平板车上时,滑块和平板车的加速度大小分别为a1=5m/s2,a2=1m/s2.
(4)设平板车足够长,小滑块与平板车速度相等时:v0-a1t=a2t
得:t=1s,则此时小滑块位移:x1=v0t-at2=3.5m
平板车位移:x2=a2t2=0.5m
x1-x2>L
所以小滑块滑出平板车右端.
如图的甲所示,A、B两点相距x=7m,一个质量m=2.0kg的木块开始静止在光滑水平面上的A点,木块受到如图乙的周期性水平力F的作用,规定向左方向为正方向.求:
(1)若力F的变化周期T=4s,则在t=0时刻将木块从A点无初速释放,木块到达B点时动能的大小;
(2)所加力F的频率f多大时,在t=到t=
时间内从A点无初速释放该木块,木块不能到达B点.
正确答案
(1)木块所受力F=ma,根据牛顿第二定律,有:a==2m/s2
木块在0~时间内向B点作匀加速直线运动,走过的距离为:x1=
a(
)2=4m
则木块此时的速度:v1=at2=4m/s
木块在t=~T时间内继续向B点作匀减速直线运动可以到达B点;
位移为:x2=x-x1=3m
由公式:-
=-2ax
所以,木块到达B点的速度:v2=2m/s
木块到达B点的动能:Ek=mv2=4J
(2)木块在t=~t=
向B点做匀加速运动,在t=
~t=
向A点做匀减速运动,速度减为零后将返回.
木块向B点运动可能的最大位移:s=2×a(
)2=
aT2
要求粒子不能到达A板,有:s<x=7m;
由f=,力F变化频率应满足:f>
=
Hz
答:(1)若力F的变化周期T=4s,则在t=0时刻将木块从A点无初速释放,木块到达B点时动能的大小为4J;
(2)所加力F的频率f>=
Hz时,在t=
到t=
时间内从A点无初速释放该木块,木块不能到达B点.
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