- 匀变速直线运动的研究
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辨析题:静止在水平地面上的木箱,质量为50kg,若用F=400N的水平恒力推它,可以在5s内使它移动s=50m.若用大小仍为400N、而方向与水平方向夹角为37°斜向上的拉力拉木箱从静止开始运动,使木箱能够到达50m远处,则拉力的作用时间最少是多少?(cos37°=0.8)
某同学是这样解的:当拉力水平时:由运动学公式,有s=at2即50=
×a1×52①
由牛顿第二定律:F-μmg=ma1即400-μ×50×10=50×a1 ②
当拉力斜向上时:设加速度大小为a2
在水平方向由牛顿第二定律:Fcos37°-μmg=ma2 ③
a2==
=2.4m/s2
再由运动学公式,s=at2 ④
解得拉力作用的最少时间:t==
≈6.45s
(1)这位同学解法是否有不大合理的地方?(回答“有”还是“没有”?)
(2)若有不合理的地方,请你指出这位同学错误步骤对应的序号,并说明理由.
(3)若有不合理的地方,请用你自己的方法算出正确结果.
正确答案
建立如图坐标系,在两种情况下对木箱进行受力分析有:木箱都受四个力作用:重力G、弹力FN、摩擦力f和推力F
由于木箱运动,故与地在间的摩擦力为滑动摩擦力,故其大小f=μFN,由于在竖直方向木箱受力平衡,故两种情况下地面对木箱的支持力FN不同,故摩擦力的大小也不一样.
但解题中的第4步,拉力向上拉木箱时,木箱受到的摩擦力f=μ(mg-Fsinθ)≠μmg,故计算有误.
故解法有误,错误在第④
(3)由题中①得a1=4m/s2
代入②得μ=0.4
∴木箱在斜向上拉力F作用下产生的加速度
a2==
m/s2=4.32m/s2
则拉力作用的时小时间对应拉力停止作用后,在摩擦力作用下木箱做匀减速直线运动,当速度减为0时,总位移刚好为50m.则木箱的位移分成两部分:
在拉力作用下以a2=4.32m/s2做初速度为0的匀加速直线运动经过时间t速度达到v;
在摩擦力f作用下做初速度为v,加速度大小为a3==
=μg=4m/s2做匀减速运动;
根据题意和匀减速直线运动的规律有:
加速的位移:
减速的位移:
又+
=50
所以可以求得加速后的速度v=14.4m/s
则加速运动的时间t==
s=3.33s
答:(1)这位同学解法有不大合理的地方;
(2)错误序号为④,理由是滑动摩擦力的大小与正压力成正比,只有当正压力等于重力时才与重力成成正比,要注意判断正压力与重力的关系;
(3)斜向上的拉力作用的最少时间是3.33s.
一质点在做匀变速直线运动,它在某1s内的位移是3m,紧接着的1s内位移是5m,这两秒内的平均速度是多少?该质点运动的加速度大小是多少?
正确答案
两秒内的平均速度=
=
=
m/s=4m/s.
前1s内的平均速度
.
v
1==3m/s
接着1s内的平均速度
.
v
2==5m/s
某段时间内的平均速度等于中间时刻的速度,两个中间时刻的时间间隔为1s.
则a==
m/s2=2m/s2
故质点运动的加速度大小为2m/s2.
为了缩短下楼的时间,消防员往往抱着楼房外的竖直杆直接滑下,设消防员先以可能的最大加速度沿杆做匀加速直线运动,再以可能的最大加速度沿杆做匀减速直线运动。一名质量m=65kg的消防员,在沿竖直杆无初速度滑至地面的过程中,重心共下降了h=11.4m,该消防员与杆之间的滑动摩擦力最大可达到fm=975N,消防员着地的速度不能超过v=6m/s。(g=10m/s2)求:
(1)消防员下滑过程中速度的最大值;
(2)消防员下滑过程的最短时间。
正确答案
解:(1)消防队员抱着竖直杆做自由落体运动时,有最大加速度
设消防员下滑过程中速度的最大值为vm,则
对消防员匀减速直线运动,设最大加速度的大小为a,则
由牛顿第二定律得:,∴a=5m/s2
由题意:
联解得:vm=10m/s
(2)对消防员自由下落:,∴t1=1.0s
对消防员匀减速直线运动:,∴t2=0.8s
故消防员下滑过程的最短时间:s
以v=10m/s的速度行驶的汽车,驾驶员发现路面正前方x0=60m处有一大坑,驾驶员立即以大小恒为a=1m/s2的加速度开始刹车,试求:
(1)停下前是否会发生车祸?请说明理由.
(2)若不会发生车祸,车停下时距大坑多远?
正确答案
(1)设驾驶员从发现大坑到停止发生的位移为x,由-
=2ax得,x=
=50m,因x<
,所以不会发生车祸.
故停下前不会发生车祸,因为汽车停下过程中发生的位移小于发现时距离大坑的距离.
(2)距坑的距离△x=-x=60m-50m=10m,
故若不会发生车祸,车停下时距大坑10m远.
质量M=3×106kg的列车,在恒定的额定功率下,沿平直的轨道由静止开始出发,在运动的过程中受到的阻力大小f1恒定.列车达到最大行驶速度v=72km/h后,某时刻司机发现前方S=2km处的轨道旁山体塌方,便立即紧急刹车,这时由于刹车所附加的制动力恒为f2=2×105 N,结果列车正好到达轨道毁坏处停下.求:
(1)列车刹车时加速度a的大小;
(2)列车在正常行驶过程中所受的阻力f1的大小;
(3)列车的额定功率P.
正确答案
(1)列车最大速度v=72km/h=20m/s,
列车刹车后做匀减速运动,知道静止,
由匀变速运动的速度位移公式可得,
加速度a==
=0.1m/s2;
(2)列车刹车后,在水平方向受二力作用,
由牛顿第二定律得:f1+f2=ma,
则f1=ma-f2=3×106×0.1 N-2×105 N=1×105 N;
(3)列车达到最大速度时,牵引力等于阻力F=f1,
机车额定功率P=Fv=f1•v=1×105×20=2×106W;
答:(1)列车刹车时加速度a的大小为0.1m/s2;
(2)列车在正常行驶过程中所受的阻力f1的大小为1×105N;
(3)列车的额定功率为2×106W.
(5)某飞机着陆时的速度是216km/h,随后匀减速滑行,加速度的大小是2m/s2.机场的跑道至少要多长才能是飞机安全地停下来?
正确答案
飞机做匀减速直线运动,末速度为0,.
根据匀变速直线运动的速度位移公式v2-v02=2ax,代入数据得
x==900m
故机场跑道的最小长度为900m.
如图所示,水平浅色传送带以V1=2m/s的速 度逆时针匀速传送,一质量为m=2kg的煤块以V2=4m/S的初速度从最左端滑上传送带,两者的动摩擦系数μ=0.2,假设皮带足够长且不考虑煤块质量的变化.
求:(1)煤块对地的最大位移是多少?(2)煤块与皮带的摩擦产生的热量?
正确答案
(1)煤块在皮带上先向右匀减速,后向左匀加速运动,加速度大小a=μg=2m/s2,最后与皮带相对静止.当煤块对地速度为零时,它对地的位移也最大.
由=2as,得到:S=4m
即煤块对地的最大位移是4m.
(2)取向右为正,煤块相对皮带的初速度为v0=6m/s,加速度a相对=-2m/s2,当它们相对静止时,两者的相对位移为S相对,
由2a相对S相对=0-,得到S相对=9m
所以:Q=Wf=μmgS相对=36J
即煤块与皮带的摩擦产生的热量为36J.
民用航空客机的机舱,除了有正常的舱门和舷梯连接,供旅客上下飞机,一般还设有紧急出口.发生意外情况的飞机在着陆后,打开紧急出口的舱门,会自动生成一个由气囊构成的斜面,机舱中的人可沿该斜面滑行到地面上来,示意图如图所示.某机舱离气囊底端的竖直高度AB=3.0m,气囊构成的斜面长AC=5.0m,CD段为与斜面平滑连接的水平地面.一个质量m=60kg的人从气囊上由静止开始滑下,人与气囊、地面间的动摩擦因数均为μ=0.5.不计空气阻力,g=10m/s2.求:
(1)人从斜坡上滑下时的加速度大小;
(2)人滑到斜坡底端时的速度大小;
(3)人离开C点后还要在地面上滑行多远才能停下?
正确答案
(1)物体受力如右图所示.
由牛顿运动定律:mgsinθ-μN=ma
N-mg cosθ=0
解得:a=gsinθ-μgcosθ=2m/s2
(2)由vc2=2as,
得到vc=2m/s
(3)由牛顿运动定律:μmg=ma′
由02-vc2=2(-a′)s′
解得:s′=2.0m
答:(1)人从斜坡上滑下时的加速度大小为2m/s2;
(2)人滑到斜坡底端时的速度大小为2m/s;
(3)人离开C点后还要在地面上滑行2m才能停下.
如图所示,水平轨道AB与放置在竖直平面内的1/4圆弧轨道BC相连,圆弧轨道的B端的切线沿水平方向.一质量m=1.0kg的滑块(可视为质点),在水平恒力F=5.0N的作用下,从A点由静止开始运动,已知A、B之间的距离s=5.5m,滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.10,圆弧轨道的半径R=0.30m,取g=10m/s2.
(1)求当滑块运动的位移为2.0m时的速度大小;
(2)当滑块运动的位移为2.0m 时撤去F,求滑块通过B点时对圆弧轨道的压力大小;
(3)滑块运动的位移为2.0m时撤去F后,若滑块恰好能上升到圆弧轨道的最高点,求在圆弧轨道上滑块克服摩擦力所做的功.
正确答案
(1)设滑块的加速度为a1,根据牛顿第二定律
F-μmg=ma1
解得:a1=4.0m/s2
设滑块运动的位移为2.0m时的速度大小为v,根据运动学公式
v2=2a1s1
解得:v=4.0m/s
(2)设撤去拉力F后的加速度为a2,根据牛顿第二定律
μmg=ma2
解得:a2=μg=1.0m/s2
设滑块通过B点时的速度大小为vB,根据运动学公式
-v2=-2a2(S-S1)
解得:vB=3.0m/s
设滑块在B点受到的支持力为NB,根据牛顿第二定律
NB-mg=m
解得:NB=40N
根据牛顿第三定律,滑块通过B点时对圆弧轨道的压力为40N.
(3)设圆弧轨道的摩擦力对滑块做功为W,根据动能定理
-mgR+W=0-m
解得:W=-1.5J
圆弧轨道上滑块克服摩擦力所做的功为1.5J.
答:(1)求当滑块运动的位移为2.0m时的速度大小为4.0m/s;
(2)当滑块运动的位移为2.0m 时撤去F,滑块通过B点时对圆弧轨道的压力大小为40N;
(3)滑块运动的位移为2.0m时撤去F后,若滑块恰好能上升到圆弧轨道的最高点,在圆弧轨道上滑块克服摩擦力所做的功为1.5J.
飞机着陆后以6m/s2的加速度做匀减速直线运动,其着陆速度为60m/s,则它着陆后11s滑行的距离是多少?
正确答案
飞机减速到零所需的时间t0==
s=10s<11s
知着陆后11s内的位移等于10s内的位移.
则x==
m=300m.
答:它着陆后11s滑行的距离是300m.
如图所示,一物体从倾角为30°的斜面顶端由静止开始下滑,s1段光滑,s2段有摩擦,已知s2=2s1,物体到达底部的速度刚好为零,则s2段的动摩擦因数μ为多少?
正确答案
由于斜面的倾角为30°,故在s1段的加速度为:a1=gsin30°=g,
由于s2=2s1,根据υ2=2as知,s2段的加速度只有s1段加速度大小的一半.
即:a2=a1=
g,方向向上.
而a2=μgcos30°-gsin30°,
代入数据后解得:μ=,
答:s2段的动摩擦因数μ为.
近来,我国多个城市开始重点治理“中国式过马路”行为.每年全国由于行人不遵守交通规则而引发的交通事故上万起,死亡上千人.只有科学设置交通管制,人人遵守交通规则,才能保证行人的生命安全.
如图所示,停车线AB与前方斑马线边界CD间的距离为23m.质量8t、车长7m的卡车以54km/h的速度向北匀速行驶,当车前端刚驶过停车线AB,该车前方的机动车交通信号灯由绿灯变黄灯.
(1)若此时前方C处人行横道路边等待的行人就抢先过马路,卡车司机发现行人,立即制动,卡车受到的阻力为3×104N.求卡车的制动距离;
(2)若人人遵守交通规则,该车将不受影响地驶过前方斑马线边界CD.为确保行人安全,D处人行横道信号灯应该在南北向机动车信号灯变黄灯后至少多久变为绿灯?
正确答案
(1)据题意 由 -
=2ax 得:x=
①
汽车刹车时,阻力产生的加速度为a
由 牛顿第二定律 得 a= ②
代入数据得 制动距离 x=30 m ③
(2)据题意 汽车不受影响的行驶距离应该是AB与CD间距加车身长度即:x1=30m ④
故黄灯的持续时间为t 则 t= ⑤
代入数据得 时间为t=2 s ⑥
一辆汽车正以15m/s的速度行驶,因发生紧急情况关闭油门刹车,刹车后做匀减速直线运动,加速度大小为3m/s2,问
(1)刹车3秒后汽车的速度大小
(2)刹车6秒内的位移.
正确答案
(1)设t秒后车停止运动,则t==5s;
3s<5s,所以汽车还在运动,
由v=vo-at 得v=6m/s
故汽车3s后的速度大小为6m/s.
(2)因为6s>5s;所以汽车6s前已经停止运动.
因为末速度为0,由速度位移公式0-vo2=2ax,代入数据
得x=37.5m
故刹车6秒内的位移为37.5m.
在某城市的一条道路上,规定车辆行驶速度不得超过30km/h.在一次交通事故中,肇事车是一辆卡车,测得这辆卡车紧急刹车(车轮被抱死)时留下的刹车痕迹长为7.2m;经过测试得知这种轮胎与路面间的动摩擦因数为0.7.请判断该车是否超速(取g=10m∕s2).
正确答案
汽车刹车过程做匀减速直线运动,设加速度大小为a,
由牛顿第二定律得:μmg=ma
由运动学公式得:0-υ02=2ax
联立解得汽车的初速度大小为:υ0=
代入数据得:υ0=m/s
=m/s>10 m/s
故:v0>36 km/h,该车超速.
答:该车已超速.
在民航和火车站可以看到用于对行李进行安全检查的水平传送带,当旅客把行李放到传送带上时,传送带对行李的摩擦力使行李开始运动,最后行李随传送带一起前进,设传送带匀速前进的速度为 0.6m/s,质量为4.0kg的皮箱在传送带上相对滑动时,所受摩擦力为24N,那么,这个皮箱无初速地放在传送带上后,求:
(1)经过多长时间才与皮带保持相对静止?
(2)传送带上留下一条多长的摩擦痕迹?
正确答案
(1)设皮箱在传送带上相对运动时间为t,皮箱放上传送带后做初速度为零的匀加速直线运动,由牛顿运动定律:
皮箱加速度:a==
m/s2=6m/s2
由 v=at 得t==
s=0.1s
(2)到相对静止时,传送带带的位移为s1=vt=0.06m
皮箱的位移 s2==0.03m
摩擦痕迹长L=s1--s2=0.03m(10分)
所以,(1)经0.1s行李与传送带相对静止
(2)摩擦痕迹长0.0.03m
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