- 匀变速直线运动的研究
- 共14248题
某潜艇发生碰撞后失去控制,在10秒内从海面沉入110m深的海底,艇上有128名官兵必须营救.
(1)如果只研究潜艇在竖直方向上的运动,且假定这一运动是匀变速直线运动,则潜艇在竖直方向产生多大的加速度?又设潜艇上的官兵各自站在潜艇舱内,则平均质量为60kg的官兵对舱底的压力为多大?
(2)潜艇沉入海底时舱内官兵所需的氧气是有储存氧气的氧气瓶供氧的,假如每个官兵1min需氧气约1.5L,艇上共有320瓶压强为6.0×106Pa、体积为90L的氧气瓶,则成功救援的最长时间为多大?
正确答案
(1)根据位移时间公式s=at2得,a=
=
m/s2=2.2m/s2.
根据牛顿第二定律得,mg-N=ma,解得N=mg-ma=456N.
则压力为456N.
(2)根据P0V0nt=NPV
1.0×105×1.5×128t=320×6.0×106×90
解得t=9000min.
答:(1)潜艇在竖直方向产生的加速度为2.2m/s2,官兵对舱底的压力为456N.
(2)成功救援的最长时间为9000min.
木箱的质量为m=8kg,放在水平地面上,在F=20N的水平拉力作用下从静止开始运动,经时间t=2s,滑动的距离为x=4m.求:
(1)木块运动的加速度大小;
(2)摩擦力的大小;
(3)若拉力从静止开始作用t=2s后撤去,木块还能滑行多远?
正确答案
(1)根据x=a1t2得,a1=
=
m/s2=2m/s2.
(2)根据牛顿第二定律得,F-f=ma.
则f=F-ma=20-8×2N=4N.
(3)2s末的速度v=a1t=2m/s2×2s=4m/s,
撤去外力后,加速度的大小a2==
m/s2=0.5m/s2
由v2=2得,
x2=m=16m.
答:(1)木块运动的加速度大小为2m/s2.
(2)摩擦力的大小为4N.
(3)若拉力从静止开始作用t=2s后撤去,木块还能滑行16m.
一物体从0点以4m/s的速度滑上光滑斜面做匀减速直线运动,2s后向上经过A点,此时物体的速度为2m/s.
求:(1)物体向上滑行的最大位移?
(2)从0点出发到返回0点共需多少时间?
正确答案
(1)设物体上滑的加速度为a,则在前2s内有:
因为vA=v0+at 所以a=
解得:a=-1m/s2
物体上滑到末速度为零的过程中有:v2-v02=2ax v=0
∴x= 解得:x=8m
故物体向上滑行的最大位移为8m.
(2)物体上滑的时间:t1==4s
根据对称性,往返总时间:t=2t1=8s.
故从 0点出发到返回0点的时间为8s.
如图,在水平的桌面上有一木板长0.5m,一端与桌边对齐,板的上表面与铁块的摩擦因数0.5,桌面与木板下表面的摩擦因数0.25,桌面和铁块的摩擦因数0.25,木板的质量1kg,在木板的中央放一小铁块,质量0.25kg,用水平力F拉木板.求
(1)拉力至少多大,铁块会与木板发生相对运动?
(2)拉力至少是多大,铁块不会从桌上落下.
正确答案
(1)将板抽出时,铁块向右加速,加速度a1=μ1g=5m/s2
由牛顿第二定律,板的加速度:a2=
为了能抽出木板必须有:a1>a2
解得:
F>9.375N
(2)铁块在木板上加速,落到桌面上减速到0
如果刚好到达桌面的边缘,则
=
+
μ1g t1=μ2g t2
解得t12=s
板的抽出过程
=
+
解得a=20m/s2
由牛顿第二定律:
a=
解得:
F=24.375N
答:
(1)拉力至少为9.375N铁块会与木板发生相对运动
(2)拉力至少是24.375N铁块不会从桌上落下
甲、乙两运动员在训练交接棒的过程中发现:甲经短距离加速后能保持9m/s的速度跑完全程;乙从起跑后到接棒前的运动是匀加速的.为了确定乙起跑的时机,需在接力区前适当的位置设置标记.在某次练习中,甲在接力区前S0=13.5m处作了标记,并以V=9m/s的速度跑到此标记时向乙发出起跑口令.乙在接力区的前端听到口令时起跑,并恰好在速度达到与甲相同时被甲追上,完成交接棒.已知接力区的长度为L=20m.
求:(1)此次练习中乙在接棒前运动的时间t;
(2)此次练习中乙在接棒前的加速度a;
(3)在完成交接棒时乙离接力区末端的距离△S.
正确答案
(1)设经过时间t,甲追上乙.甲的位移x1=vt,乙的位移x2=t=
.
由位移关系有vt-=13.5m
将v=9m/s代入得到:t=3s.
故练习中乙在接棒前运动的时间t为3s.
(2)根据 v=at
解得:a=3m/s2
故乙在接棒前的加速度a=3m/s2
(2)在追上乙的时候,乙走的距离为x2,
则:x2==13.5m
所以乙离接力区末端的距离为△S=20-13.5=6.5m.
滑冰车是儿童喜欢的冰上娱乐项目之一.如图所示为小明妈妈正与小明在冰上游戏,小明与冰车的总质量是40kg,冰车与冰面之间的动摩擦因数为0.05,在某次游戏中,假设小明妈妈对冰车施加了40N的水平推力,使冰车从静止开始运动10s后,停止施加力的作用,使冰车自由滑行.(假设运动过程中冰车始终沿直线运动,小明始终没有施加力的作用).
求:(1)冰车的最大速率;
(2)冰车在整个运动过程中滑行总位移的大小.
正确答案
(1)以冰车及小明为研究对象,由牛顿第二定律得
F-μmg=ma1 ①
vm=a1t ②
由①②得vm=5m/s
(2)冰车匀加速运动过程中有 x1=a1t2 ③
冰车自由滑行时有 μmg=ma2 ④
=2a2x2⑤
又x=x1+x2⑥
由③④⑤⑥得x=50m
答:(1)冰车的最大速率是5m/s;
(2)冰车在整个运动过程中滑行总位移的大小是50m.
在四川汶川抗震救灾中,一名质量为60kg、训练有素的武警战士从直升机上通过一根竖直的质量为20kg的长绳由静止开始滑下,速度很小可认为等于零.在离地面18m高处,武警战士感到时间紧迫,想以最短的时间滑到地面,开始加速.已知该武警战士落地的速度不能大于6m/s,以最大压力作用于长绳可产生的最大加速度为5m/s2;长绳的下端恰好着地,当地的重力加速度为g=10m/s2.求武警战士下滑的最短时间和加速下滑的距离.
正确答案
设武警战士加速下滑的距离为h1,减速下滑的距离为(H-h1),加速阶段的末速度等于减速阶段的初速度
为vmax,由题意和匀变速运动的位移速度关系式得:
自由落体过程:vmax2=2gh1 ①
匀减速运动过程:v2-vmax2=-2a(H-h1)②
由①②两式解得:h1==
m=7.2 m
武警战士的最大速度为:vmax==
m/s=12 m/s
加速时间:t1==
s=1.2 s
减速时间:t2==
s=1.2 s
下滑的最短时间:t=t1+t2=1.2 s+1.2 s=2.4 s
答:武警战士下滑的最短时间为2.4s,加速下滑的距离为7.2m.
摩托车先由静止开始以3m/s2的加速度做匀加速运动,后以最大行驶速度30m/s匀速运动,追赶前方以15m/s的速度同向匀速行驶的卡车.已知摩托车开始运动时与卡车的距离为210m,则:
(1)追上卡车前,二者相隔的最大距离是多少?
(2)摩托车经过多长时间才能追上卡车?
正确答案
(1)由题意得摩托车做匀加速运动的最长时间t1==10 s.
位移s1==150 m<s0=210 m,所以摩托车在达到最大速度之前没有追上卡车,则追上卡车前两车速度相等时间距最大.
设从开始经过t2时间速度相等,最大间距为sm,
于是有:at2=v匀,
所以t2==5 s,
最大间距sm=s0+v匀•t2-at22=247.5 m.
(2)设从开始经过t时间摩托车追上卡车,
则有:+vm(t-t1)=s0+v匀•t,
解得:t=17 s.
答:
(1)追上卡车前两车相隔的最大距离是247.5 m;
(2)摩托车经过17 s时间才能追上卡车.
一物体以一定的初速度从一光滑斜面底端A点上滑,最高可滑至C点,B是AC的中点,如图所示,已知物块从A至B需时间为t0,问它从B经C再回到B,需要的时间是多少?
正确答案
设物体从A到C所用时间为t,从B到C所用时间为t1则
t1=t-t0 ①
设AC长度为L,物体运动加速度为a,
由匀变速直线运动的位移速度关系式,根据A到C的逆过程,
得:L=at2 ②
从B到C由根据逆过程得:L=
a
③
①②③联立可得 t1=(+1)t0
由对称性,从B到C再回B所用时间t2=2t1=2(+1)t0答:它从B经C再回到B,需要的时间是2(
+1)t0
在某市区内,一辆小汽车在公路上以速度v1向东行驶,一位观光游客正由南向北从斑马线上横过马路,汽车司机发现前方有危险(游客正在D处)经过0.7s作出反应,紧急刹车,但仍将正步行至B处的游客撞伤,该汽车最终在C处停下,为了清晰了解事故现场,现以下图示之,为了判断汽车司机是否超速行驶,警方派一警车以法定最高速度行驶在同一马路的同一地段,在肇事汽车的起始制动点A紧急刹车,经14.0m后停下来,在事故现场测得、
、
。且知道两辆车加速度相同。问:
(1)该肇事汽车的初速度vA是多大?
(2)游客横过马路的速度大小?
正确答案
解:(1)警车和肇事汽车刹车后均做匀减速运动,其加速度大小,与车子的质量无关,可将警车和肇事汽车做匀减速运动的加速度的大小视作相等。
对警车,有vm2=2as
对肇事汽车,有vA2=2as′
则vm2/vA2=s/s′,即vm2/vA2=s/(+
)=14.0/(17.5+14.0)
故m/s
(2)对肇事汽车,由v02=2as∝s得vA2/vB2=(+
)/
=(17.5+14.0)/14.0
故肇事汽车至出事点B的速度为vB=vA=14.0m/s
肇事汽车从刹车点到出事点的时间t1=2/(vA+vB)=1s
又司机的反应时间t0=0.7s
故游客横过马路的速度v′=/(t0+t1)=2.6/(0.7+1)≈1.53m/s
从上面的分析求解可知,肇事汽车为超速行驶,而游客的行走速度并不快。
跳伞运动员做低空跳伞表演,他离开飞机后先做自由落体运动,当距离地面125m时打开降落伞,伞张开后运动员就以14.3m/s2的加速度做匀减速运动,到达地面时速度为5m/s,问:
(1)运动员打开降落伞时的速度多大?
(2)运动员离开飞机时距地面的高度为多少?
(3)运动员离开飞机后,经过多少时间才能到达地面?(取g=10m/s2)
正确答案
(1)运动员打开降落伞时速度设为v0,由位移速度关系式:
-2ah=v2-v02
得:v0==60m/s
(2)运动员自由下落高度设为h0,则由:
2gh0=v02
得:h0==180m
运动员离开飞机时距地面的高度:
H=h0+h=305m
(3)运动员自由下落时间:t1==6s
打开降落伞后运动时间:t2==3.85s
运动员离开飞机后,到达地面总时间
t=t1+t2=9.85s
答:(1)运动员打开降落伞时的速度为60m/s;
(2)运动员离开飞机时距地面的高度为305m;
(3)运动员离开飞机后,经过9.85s时间才能到达地面.
以5米/秒匀速上升的气球,当升到20米高时,从气球上落下一小球,小球的质量为500克,小球在运动过程中遇到的阻力是0.1牛,求经过多长时间达到地面.
正确答案
小球在离开气球前,随气球一起向上做匀速直线运动.离开气球后,由于重力和阻力的作用,小球做匀减速直线运动上升,其初速度为5米/秒,其加速度由于重力和阻力二力之和而产生(如图1).小球达到最高点后,将做初速度为零的匀加速运动下落,其加速度由于重力和阻力二力之差而产生(如图2).
根据牛顿第二定律,小球在上升过程中有:mg+f=ma1,
∴a1==
m/s2=10m/s2
上升的高度h1==1.25m
上升的时间:t==0.5s
小球从最高点下落的过程中,由牛顿第二定律得
mg-f=ma2(向下为正
∴a2==
m/s2=9.6m/s2
又由于下落高度h2=h1+H0=1.25m+20m=21.25m,
再由运动学公式得t2==2.1s
所以小球从离开气球到到达地面所用时间秒t=t1+t2=2.6s.
答:经过2.6s时间达到地面.
某人站在离地20m平台边缘,以20m/s的初速度竖直向上抛出一石块,不考虑空气阻力,g=10m/s2,求:
(1)物体上升的最大高度是多少?回到抛出点的时间是多少?
(2)石块从抛出回到地面所需的时间是多少?落到地面的速度是多少?
正确答案
(1)根据竖直上抛运动规律,石块上升的最大高度为h==
m=20m
石块上升到最高点所用时间为t1==
s=2s
所以石块回到抛出点的时间为t=2t1=4s
(2)根据vt2-v02=2as得vt=±=±
m/s=±20
m/s
由于石块落地时的速度方向与初速度相反,所以vt=-30m/s
根据vt=v0+at得到t==
s=2
+2s
即石块从抛出到落地所用时间为2+2s,石块落地的速度为20
m/s,方向竖直向下.
水平导轨AB固定在支架CD上,其形状、尺寸如图所示.导轨与支架的总质量M=4kg,其重心在O点,它只能绕支架C点且垂直于纸面的水平轴转动.质量m=1kg的小铁块静止于水平导轨AB的A端,现受到水平拉力F=2.5N的作用.已知小铁块和导轨之间的动摩擦因数μ=0.2.g取10m/s2,求:
(1)小铁块刚开始运动时的加速度大小?
(2)小铁块运动到离A端多远时,支架将要开始翻转?
(3)若在小铁块运动的过程中,支架始终保持静止,则拉力F作用的最长时间为多少?
正确答案
(1)小铁块受到的摩擦力f=μmg=0.2×1×10=2N.根据牛顿第二定律得
a= 解得 a=0.5m/s2
(2)假设小铁块运动到C点的右侧且距C点x处时,支架刚要不能维持平衡,D端受的力为零.
MgL=Nx+fLf,N=mg=10N
代入解得 x=0.24m
s=x+0.7=0.94m.
(3)因为要在小铁块运动的过程中,导轨和支架始终保持静止,故小铁块是先做匀加速直线运动,再做匀减速直线运动.
匀加速直线运动加速度大小a1=0.5m/s2 匀减速直线运动加速度大小a2==μg=2m/s2 又
+
=0.94
v=0.87m/s
解得t=1.74s.
答:(1)小铁块刚开始运动时的加速度为0.5m/s2;
(2)小铁块运动到离A端0.94m时,支架将要开始翻转;
(3)若在小铁块运动的过程中,支架始终保持静止,拉力F作用的最长时间为1.74s.
一辆汽车以30m/s的初速度匀加速从一长直斜坡驶下,到斜坡末端的速度达到40m/s,汽车的加速度为0.5m/s2,求斜坡的长度.
正确答案
已知汽车的初速度v0=30m/s、末速度v=40m/s、加速度a=0.5m/s2,
设位移x,
由于题目不涉及时间,我们可以用位移-速度关系式:v2-v02=2ax,
整理得:x==
m=700m
答:斜坡的长度为700m.
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