- 匀变速直线运动的研究
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如图所示,质量M=4kg的木板长L=1.4m,静止在光滑的水平地面上,其水平顶面右端静置一个质量m=1kg的小滑块(可视为质点),小滑块与板间的动摩擦因数μ=0.4.今用水平力F=28N向右拉木板,使滑块能从木板上掉下来,求此力作用的最短时间.(g=10m/s2)
正确答案
F作用下,有相对滑动;F作用时间t1撤去后,滑块继续加速,木板减速,
要使滑块能从木板上恰好滑下,则要求滑下时,滑块和木板的速度相同,设为V3则:
在t1时间内:
滑块的加速度:a1=gμ=4 m/s2,V1=a1t1 木板的加速度:a2==6 m/s2,V2=a2t1在t2时间内:
滑块的加速度:a1'=a1=4 m/s2,V3=V1+a1t2 木板的加速度:a2'==1 m/s2,V3=V2-a2't2t1+t2时间内总位移:
滑块的位移为:S1=a1(t1+t2)2 木板的位移为:S2=
a2t12+(V2t2-
a2't22)
而S2-S1=L
解得:t1 =1s
答:此力作用的最短时间为1s.
汽车前方120m有一自行车正以6m/s的速度匀速前进,汽车以18m/s的速度追赶自行车,若两车在同一条公路不同车道上作同方向的直线运动,求:
(1)经多长时间,两车第一次相遇?
(2)若汽车追上自行车后立即刹车,汽车刹车过程中的加速度大小为2m/s2,则再经多长时间两车第二次相遇?
正确答案
解:(1)设经1秒,汽车追上自行车,由题意得:
汽1=自1+解得:1=10 s
(2)汽车的加速度大小为=2 m/s2,设第二次追上所用的时间为2,则
自2=汽2-22解得:2=12 s
设汽车从刹车到停下用时3秒,则
3==9 s<2,故自行车再次追上汽车前,汽车已停下
停止前汽车的位移:汽=3设经4时间追上,则自4=
3解得4=13.5 s,再经过13.5 s两车第二次相遇
一物体做初速度为2m/s的匀加速直线运动,前2s内的位移为9m,求:
(1)物体加速度的大小;
(2)物体第5s内位移的大小.
正确答案
(1)根据匀变速直线运动的位移时间公式x=v0t+at2得,
a==
m/s2=2.5m/s2
故物体的加速度大小为2.5m/s2.
(2)4s末的速度v=v0+at=2+2.5×4m/s=12m/s
物体在第5s内的位移x5=v4t′+at′2=12×1+
×2.5×1m=13.25m
故物体在第5s内的位移为13.25m.
跳伞运动员在空中的运动可分为两个阶段:开始一段伞未张开,可近似看成自由落体运动;伞张开后,则做匀减速运动.设运动员的初始高度为1500m,第一段的下落高度为500m,(取g=10m/s2),试求:
(1)张开伞的一瞬间,运动员的速度.
(2)要运动员充分安全地着地(即着地速度为零),第二阶段的合适加速度应是多少?
正确答案
(1)运动员自由下落过程,有v12=2gh1
所以运动员打开伞时的速度为 v1=m/s=100m/s
(2)运动员打开伞后做匀减速运动,由v22-v12=-2as2
所以伞张开后运动员的加速度为 a==5m/s 2
答:(1)张开伞的一瞬间,运动员的速度为100m/s.
(2)要运动员充分安全地着地(即着地速度为零),第二阶段的合适加速度应是5m/s 2.
在电场强度为E的匀强电场中,有一条与电场线平行的几何线,如图中虚线所示.几何线上有两个静止的小球A和B(均可视为质点),两小球的质量均为m,A球带电量为+q,B球不带电.开始时两球相距L,在电场力的作用下,A球开始沿直线运动,并与B球发生正对碰撞,碰撞中A、B两球的总动能无损失.设每次碰撞后A、B两球速度互换,碰撞时,A、B两球间无电荷转移,且不考虑重力及两球间的万有引力,不计碰撞时间,问:
(1)A球经过多长时间与B球发生第一次碰撞?
(2)再经过多长时间A球与B球发生第二次碰撞?
(3)在下面的坐标系中,画出A球运动的速度-时间图象.(从A球开始运动到A球、B球第三次碰撞,不要求写计算步骤)
正确答案
(1)由牛顿第二定律:Eq=ma
又L=a
联立解得 t1=
(2)设再经t2时间A、B第二次相碰,则xA=xB而xA=a
,xB=vt2,v=at1
解得,t2=2
(3)v-t如图示.
答:(1)A球经过时间与B球发生第一次碰撞.
(2)再经过2时间A球与B球发生第二次碰撞.
(3)画出A球运动的速度-时间图象如图所示.
质量为m的物体静止在水平桌面上,它与桌面之间的动摩擦因数为µ,物体在水平力F作用下开始运动,发生位移s1时撤去力F,问物体还能运动多远?
正确答案
物体运动的全部过程中,拉做正功,摩擦力做负功,其余力不做功,根据动能定理,有
Fs1-μmg(s1+s2)=0
解得
s2=
答:物体还能运动.
奥运会已经成功的降下帷幕,“绿色奥运”是2008年北京奥运会的三大理念之一,奥组委在各比赛场馆使用新型节能环保电动车,奥运会500名志愿者担任了司机,负责接送比赛选手和运输器材.在检测某款电动车性能的某次实验中,质量为8×102㎏的电动车由静止开始沿平直公路行驶,达到的最大速度为15m/s,利用传感器测得此过程中不同时刻电动车的牵引力F与对应的速度v,并描绘出F-图象(图中AB、BO均为直线).设电动车行驶中所受的阻力恒定,求:
(1)根据图线ABC,判断该环保电动车在A-B和B-C过程的运动各有什么特点,并计算环保电动车的额定功率;
(2)环保电动车做匀加速直线运动过程的加速度的大小;
(3)环保电动车由静止开始运动,经过多长时间速度达到2m/s?
正确答案
(1)电动车在A-B受到的牵引力不变,做匀加速直线运动.图线的斜率等于功率,由数学知识可知,电动车在B-C过程的功率不变,由P=Fv得知,速度增大,牵引力减小,加速度减小,则电动车在B-C过程做加速度减小的变加速运动.由C点读出F=400N,vm=15m/s,则环保电动车的额定功率:P=Fvm=6000W.
(2)当vm=15m/s时,牵引力与阻力平衡,则阻力F阻=F=400N,电动车做匀加速直线运动时,牵引力大小为:FAB=2000N,加速度大小为:a==
m/s2=2m/s2
(3)匀加速直线运动的最大速度为:vm′==
m/s=3m/s
所以电动车由静止开始运动速度达到2m/s所经历的时间为:t==
s=1s
答:
(1)电动车在A-B过程做匀加速直线运动,在B-C过程做加速度减小的变加速运动.电动车的额定功率为6000W.
(2)匀加速直线运动过程的加速度的大小是2m/s2.
(3)电动车由静止开始运动,经过1s时间速度达到2m/s.
如图,质量M=8kg的小车停放在光滑水平面上,在小车右端施加一水平恒力F=8N.当小车向右运动速度达到3m/s时,在小车的右端轻放一质量m=2kg的小物块,物块与小车间的动摩擦因数μ=0.2,假定小车足够长,试求:
(1)经过多长时间物块停止与小车间的相对运动?
(2)小物块从放在车上开始经过t0=3.0s所通过的位移是多少?(g取10m/s2)
正确答案
(1)对物块:μmg=ma1∴a1=μg=2m/s2
对小车:F-μmg=Ma2
∴a2=0.5m/s2
物块在小车上停止相对滑动时,速度相同
则有:a1t1=υ0+a2t1
∴t1==
s=2s
(2)t1物块位移x1=a1t12
t1时刻物块速度υ1=a1t1=4m/s
t1后M,m有相同的加速度,对M,m 整体有:F=(M+m)a3
∴a3=0.8m/s2
∴x2=υ1(t-t1)+a3(t-t1)2=4.4m
∴3S内物块位移x=x1+x2=8.4m
答:(1)经多2s物块停止在小车上相对滑动;
(2)小物块从放在车上开始,经过t=3.0s,通过的位移是8.4m.
一个滑雪人与滑板的质量m=75kg,以2m/s的初速度沿山坡匀加速下滑,山坡的倾角θ=37°,滑板与山坡的动摩擦因数为μ=0.1,他在t=5s的时间内滑下的距离s=60m.求滑雪人受到空气的平均阻力的大小.(sin37°=0.6 cos37°=0.8 g取10m/s2)
正确答案
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
对滑雪板及人受力分析,受重力、支持力摩擦力,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=mgsinθ-ma=75×10×0.6-75×4=150N
答:滑雪人受到空气的平均阻力的大小为150N.
如图所示,海豹突击队从悬停在空中离地106米高的直升机上沿绳下滑进行速降训练.某突击队员和他携带的武器装备的总质量共为100kg,该队员轻握绳索时可获得200N的摩擦阻力,g取10m/s2.
(1)该队员下降时的加速度为多大?
(2)为了保证着地时的安全速度不大于4m/s,该队员加速下降3s后即紧握绳索开始匀减速下降,此时紧握绳索至少需产生多大的摩擦力?
(3)以上述方式从直升机速降到地面需要多少时间?
正确答案
(1)队员下降时受到重力和摩擦力作用,由牛顿第二定律得
a1==
m/s2=8m/s2.
(2)队员匀加速下降3s时速度为v1=a1t1=8×3m/s=24m/s,通过的位移为x1=a1
=
×8×32m=36m,则队员匀减速运动的位移为x2=x-x1=106m-36m=70m
设匀减速下降的加速度大小为a2,则
-
=-2a2x2
得a2==4m/s2.
根据牛顿第二定律得 f2-mg=ma2,得f2=mg+ma2=1400N
(3)设匀减速下降的时间为t2,则由
x2=t2,解得,t2=5s.
故队员从直升机速降到地面需要的时间为t=t1+t2=8s.
答:(1)该队员下降时的加速度为8m/s2.
(2)紧握绳索至少需产生1400N的摩擦力.
(3)队员从直升机速降到地面需要的时间为8s.
一传送带装置如图所示,其中AB段是水平的,长度LAB=4m,BC段是倾斜的,长度lBC=5m,倾角为θ=37°,AB和BC在B点通过一段极短的圆弧连接(图中未画出圆弧),传送带以v=4m/s的恒定速率顺时针运转.已知工件与传送带间的动摩擦因数μ=0.5,重力加速度g取10m/s2.现将一个工件(可看做质点)无初速度地放在A点,求:
(1)工件第一次到达B点所用的时间?
(2)工件沿传送带上升的最大高度?
(3)工件运动了23s时所在的位置?
正确答案
(1)工件刚放在水平传送带上的加速度为a1
由牛顿第二定律得μmg=ma1解得a1=μg=5 m/s2
经t1时间与传送带的速度相同,则t1==0.8 s
前进的位移为x1=a1t12=1.6 m
此后工件将与传送带一起匀速运动至B点,用时t2==0.6 s
所以工件第一次到达B点所用的时间t=t1+t2=1.4 s
(2)设工件上升的最大高度为h,由动能定理得
(μmgcos θ-mgsin θ)•=0-
mv2
解得h=2.4 m
(3)工件沿传送带向上运动的时间为t3==2 s
此后由于工件在传送带的倾斜段运动时的加速度相同,在传送带的水平段运动时的加速度也相同,故工件将在传送带上做往复运动,其周期为T
T=2t1+2t3=5.6 s
工件从开始运动到第一次返回传送带的水平部分,且速度变为零所需时间
t0=2t1+t2+2t3=6.2 s
而23 s=t0+3T
这说明经23 s工件恰好运动到传送带的水平部分,且速度为零.
故工件在A点右侧,到A点的距离x=LAB-x1=2.4 m
答:(1)工件第一次到达B点所用的时间是1.4 s
(2)工件沿传送带上升的最大高度是2.4 m
(3)工件运动了23s时所在的位置是工件在A点右侧,到A点的距离是2.4 m.
如图所示,A、B两物体相距x=7m,物体A在水平拉力和摩擦力作用下,正以v1=4m/s的速度向右匀速运动.而物体B此时的速度v2=10m/s,由于摩擦力作用向右匀减速运动,加速度a=-2m/s2,求:
(1)B物体还能运动多少时间.
(2)物体A追上B所用的时间.
正确答案
(1)物体B做匀减速直线运动,设速度减为零的时间为t1由速度公式:vB=v2+at,则有:t1==5s
所以B物体还能运动5s时间.
(2)在t1=5s的时间内,做匀减速的物体B位移为:
xB1=v2t1+a
=10×5-
×2×52m=25m,
做匀速运动物体A的位移为:
xA1=v1t=4×5m=20m,
由于xA1<xB1+x,故在B物体停止之前,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==
s=8s
答:(1)B物体还能运动5秒时间.
(2)物体A追上B所用的时间为8秒.
在一演示实验中,一个小球在一个斜面上滚下,小球滚动的距离S和小球运动过程中经历的时间T之间的关系如表所示:
由表可以初步归纳出小球滚动的距离S和小球滚动的时间T的关系式是( )
正确答案
由表中数据可看出,在误差范围内,s正比于T2即S=kT2
故选:B.
有一质量1kg小球串在长0.5m的轻杆顶部,轻杆与水平方向成θ=37°,静止释放小球,经过0.5s小球到达轻杆底端,试求
(1)小球与轻杆之间的动摩擦因数
(2)在竖直平面内给小球施加一个垂直于轻杆方向的恒力,使小球释放后加速度为2m/s2,此恒力大小为多少?
正确答案
(1)小球沿杆做初速度为零的匀加速直线运动,所以有:
s=at2 ①
根据牛顿第二定律得:mgsinθ-μmgcosθ=ma ②
联立①②得:μ=0.25
故小球与轻杆之间的动摩擦因数为μ=0.25.
(2)若F垂直杆向下,有:
mgsinθ-μ(F+mgcosθ)=ma
将a=2m/s2带入得:F=8N
若F垂直杆向上,有:
mgsinθ-μ(F-mgcosθ)=ma
同理带入数据得:F=24N.
故若F垂直杆向下F=8N,若F垂直杆向上F=24N.
如图所示,在动摩擦因数μ=0.2的水平面AB上,水平恒力F (F大小未知)推动质量为m=1kg的物体从A点由静止开始作匀加速直线运动,物体到达B点时撤去F,接着又冲上光滑斜面(设经过B点前后速度大小不变),最高能到达C点.用速度传感器测量物体的瞬时速度,并在表格中记录了部分测量数据(g取10m/s2).
(1)求出物体到达B点时的速度和时间;
(2)若撤去推力F,在A处给物体一个水平向左的初速度v0,恰能使物体运动到C点,求此初速度v0的大小.
正确答案
(1)根据a=可知:
物体在水平面上的加速度大小为:a1==
m/s2=2m/s2
物体在斜面上的加速度大小为:a2==
=-5m/s2,负号表示与速度方向相反.
设物体到达B点时的时间为t,则有:
达到B点时的速度为:vB=a1t ①
当时间t′=2.4s时,物体已经在斜面上,此时有:vt=vB-a2(t′-t) ②
联立①②带入数据解得:4m/s,2s.
故物体到达B点时的速度为4m/s,时间为2s.
(2)根据(1)问有:
sAB= ①
sBC= ②
在水平面上撤去F时,根据功能关系有:
mgμsAB+ma2sBC=m
③
联立①②③解得:v0=4m/s.
故物体的初速度为:v0=4m/s.
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