- 匀变速直线运动的研究
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某校课外活动小组,自制一枚土火箭,设火箭发射实验时,始终在垂直于地面的方向上运动.火箭点火后经过4s到达离地面40m高处燃料恰好用完.若空气阻力忽略不计,g取10m/s2.求:
(1)火箭的平均推力与重力的比值是多大?
(2)火箭能到达的离地面的最大高度是多大?
(3)燃料燃烧结束后,火箭还能飞行多长时间?
正确答案
(1)设燃料燃烧结束时火箭的速度为v,根据运动学公式和动能定理有
h=t
Fh-mgh=mv2
可求得v==
=20m/s.
由上面的式子可推得=
+1=
(2)火箭能够继续上升的时间t1==
=2s
火箭能够继续上升的高度h1==
m=20m
火箭离地的最大高度H=h+h1=60m
(3)火箭由最高点落至地面的时间t2==
s=2
s.
燃料燃烧结束后,火箭飞行的时间t=t1+t2=2+2≈5.46s.
答:(1)火箭的平均推力与重力的比值是.
(2)火箭能到达的离地面的最大高度是60m.
(3)燃料燃烧结束后,火箭还能飞行5.46s.
如图所示,质量为m=10kg的两个相同的物块A、B(它们之间用轻绳相连)放在水平地面上,在方向与水平方面成θ=37°角斜向上、大小为100N的拉力F作用下,以大小为v0=4.0m/s的速度向右做匀速直线运动,求剪断轻绳后物块A在水平地面上滑行的距离.(取当地的重力加速度(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
设两物体与地面间的动摩擦因素为μ,根据滑动摩擦力公式和平衡条件,
对A、B整体有:.μmg+μ(mg-Fsinθ)=Fcosθ①
剪断轻绳以后,设物体A在水平地面上滑行的距离为s,有
μmg=ma②
v02=2as③
联解方程,代入数据得:s==1.4m
答:剪断轻绳后物块A在水平地面上滑行的距离为1.4m.
为了测量列车的速度及加速度,可采用下述装置:在列车底部安装一个正方形线圈,而在轨道上每隔40m安装一块磁性很强的小磁铁,当列车经过磁铁上方时,有感应电流产生,记录此电流就可换算成列车的速度及加速度.视磁铁上方区域的磁场为匀强磁场,其区域面积与线圈面积相同,磁场方向与线圈截面垂直,磁感应强度B=0.004T,线圈边长l=0.1m,匝数n=5,包括连线总电阻R=0.4Ω.现记录到某列车驶过时的电流-位移图象如图所示,请计算:
(1)在离开O(原点)20m处列车速度v的大小;
(2)从20m处到60m处列车加速度a的大小(假设列车作匀加速运动).
正确答案
(1)由图线知道列车在离开原点20m处的感应电流为0.02A
E=nBLv,I=
I=,
解出v1==
m/s=4m/s.
(2)由图线知道列车在离开原点60m处的感应电流为0.05A
v2==
m/s=10m/s.
v22-v12=2as.
解出a==
m/s2=1.05m/s2.
答:(1)在离开O(原点)20m处列车速度v的大小为4m/s.
(2)从20m处到60m处列车加速度a的大小为1.05m/s2.
质量为m的物体以速度v0竖直向上抛出,物体落回地面时,速度大小为(设物体在运动中所受空气阻力大小不变),求:
(1)物体在运动过程中所受空气阻力的大小.
(2)物体上升的最大高度
(3)若假设物体落地碰撞过程中无能量损失,求物体运动的总路程.
正确答案
(1)设上升的最大高度为h,对物体上抛到最高点的过程运用动能定理得:
-mgh-fh=0-mv02
对下落的过程运用动能定理得:
mgh-fh=m(
7v0
8
)2-0
解得;f=mg h=
(2)由(1)中解得h=
(3)因为重量始终大于阻力,故物体最终会落到地面上,设总路程为s,
对抛出到落地的整个过程运用动能定理得:
-fs=0-mv02
解得:s=
答:(1)物体在运动过程中所受空气阻力的大小为mg;(2)物体上升的最大高度为
;(3)物体运动的总路程为
.
质量为2kg的物体,在F=8N的水平拉力的作用下,沿着水平面从静止开始运动,物体与水平面间的动摩擦因数为0.1(g取10m/s2).求:
(1)物体运动的加速度的大小;
(2)当物体速度达到10m/s时,立即撤去水平拉力,物体还能向前滑行多远?
正确答案
(1)受力分析如图所示
f=μFN
FN=mg
F-f=ma
联立解得 a=3m/s2
(2)撤去外力后,物体的加速度:a′=
由0-v2=2a′x
得x=50m
答:(1)物体运动的加速度的大小为3m/s2.
(2)物体还能向前滑行50m.
如图所示,质量为0.5kg的物块以5m/s的初速度从斜面顶端下滑,斜面长5m,倾角为37°,物块与斜面间的动摩擦因数μ=0.5.求:
(1)物块在斜面上运动时的加速度大小.
(2)物块滑至斜面中点时的速度.
正确答案
物块受三个力,如图,把重力分解在沿斜面和垂直于斜面的方向上.
则有G1=mgsinθ,G2=mgcosθ,
(1)由牛顿第二定律知N-G2=0,
且G1-f=ma
而f=μN
联解以上各式得 a=g(sinθ-μcosθ)=2m/s2
(2)在物块运动到斜面中点时,位移s=L=2.5m
由公式vt2-v02=2as知,此时物块速度
vt==
m/s≈5.91m/s
答:
(1)物块在斜面上运动时的加速度大小是2m/s2.
(2)物块滑至斜面中点时的速度是5.91m/s.
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 100m时打开降落伞,伞张开后运动员就以15m/s2的加速度做匀减速运动,到达地面时速度为5m/s,(g=10m/s2).问:
(1)运动员离开飞机时距地面的高度为多少?
(2)运动员离开飞机后,总共经过多少时间才能到达地面?
正确答案
(1)运动员打开伞后做匀减速运动,由v22-v12=2as2
可求得运动员打开伞时的速度为 v1=55m/s
运动员自由下落距离为s1==151.25m
运动员离开飞机时距地面高度为s=s1+s2=251.25m.
(2)自由落体运动的时间为t1==5.5s
打开伞后运动的时间为t2==3.33s
离开飞机后运动的时间为t=t1+t2=8.83s
答:(1)运动员离开飞机时距地面的高度为251.25m;
(2)运动员离开飞机后,总共经过8.83s时间才能到达地面.
一辆汽车在笔直的公路上以υ0=20m/s速度行驶。司机看到前方路面上有不明物体,立即刹车,汽车做匀减速直线运动,匀减速运动的加速度大小为a=2m/s2。汽车未停止运动前,司机看清了路面物体后,踩下油门,使汽车改做匀加速直线运动,经过t=10s时间,汽车的速度又变为υ0。从开始刹车到汽车又恢复原来的速度,汽车前进了s=225m。求此过程汽车的最小速度υ。
正确答案
解:s1=
s2=t
s1+s2=s
υ=10m/s
一小滑块静止在倾角为37°的固定斜面的底端,当滑块受到外力冲击后,瞬间获得一个沿斜面向上的速度v0=4.0m/s.已知斜面足够长,滑块与斜面之间的动摩擦因数μ=0.25,sin37°=0.6,cos37°=0.8,取g=10m/s2.求:
(1)滑块沿斜面上滑过程的加速度大小.
(2)滑块沿斜面上滑的最大距离.
(3)滑块返回斜面底端时速度的大小.
正确答案
(1)设滑块质量为m,上滑过程的加速度大小为a,根据牛顿第二定律,有mgsin37°+μmgcos37°=ma
所以,a=(sin37°+μcos37°)g=8.0m/s2
(2)滑块上滑做匀减速运动,根据位移与速度的关系公得最大距离
s==1.0m
(3)设滑块滑到底端的速度大小为v,全程运用动能定理,有
-(μmgcos37°)×2s=mv 2-
mv02
所以,v==2
m/s=2.8m/s
答:(1)滑块沿斜面上滑过程的加速度大小为8.0m/s2.
(2)滑块沿斜面上滑的最大距离为1.0m.
(3)滑块返回斜面底端时速度的大小为2.8m/s.
随着机动车数量的增加,交通安全问题日益凸显.分析交通违法事例,将警示我们遵守交通法规,珍惜生命.一货车严重超载后的总质量为49t,以54km/h的速率匀速行驶.发现红灯时司机刹车,货车即做匀减速直线运动,加速度的大小为2.5m/s2(不超载时则为5m/s2).若前方无阻挡,问从刹车到停下来此货车在超载及不超载时分别前进多远?
正确答案
根据匀变速直线运动的速度位移公式得 v2-v02=2ax,则 S=
当超载时,加速度为-2.5m/s2,代入数据 S1=45m
不超载时,加速度为-5m/s2,代入数据 S2=22.5m.
故从刹车到停下来货车在超载及不超载时分别前进45m,22.5m.
2009年1月,胶东半岛地区普降大雪,给人们出行带来困难.为了安全行车,某司机在冰雪覆盖的平直公路上测试汽车的制动性能.车速v=36km/h时紧急刹车(可认为轮不转动),车轮在公路上划出一道长L=50m的刹车痕迹,取g=10m/s2.求:
(1)车轮与冰雪路面间的动摩擦因数;
(2)若该车以28.8km/h的速度在同样路面上行驶,突然发现正前方停着一辆故障车.为避免两车相撞,司机至少应在距故障车多远处采取刹车措施.已知司机发现故障车至实施刹车的反应时间为△t=0.6s.
正确答案
(1)由牛顿第二定律a=μg
0-v2=-2aL
得μ==
=0.1
故车轮与冰雪路面间的动摩擦因数为0.1.
(2)v0=8 m/s
在反应时间内的位移:x1=v0t=8×0.6 m=4.8 m
由牛顿第二定律及速度-位移关系,得0-v02=-2μgx2
得刹车位移x2==
m=32 m
x=x1+x2=36.8 m.
故司机至少应在距故障车36.8m处采取刹车措施.
冰壶比赛是在水平冰面上进行的体育项目,比赛场地示意如图.比赛时,运动员从起滑架处推着冰壶出发,在投掷线AB处放手让冰壶以一定的速度滑出,使冰壶的停止位置尽量靠近圆心O.为使冰壶滑行得更远,运动员可以用毛刷擦冰壶运行前方的冰面,使冰壶与冰面间的动摩擦因数减小.设冰壶与冰面间的动摩擦因数为μ,用毛刷擦冰面后动摩擦因数减小至.若O点到AB的距离为l,重力加速度为g,在某次比赛中,运动员使冰壶C在AB中点处以v0的速度沿虚线滑出.为使冰壶C能够沿虚线恰好到达圆心O点,运动员用毛刷擦冰面的长度应为多少?
正确答案
设冰壶在未被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x1,加速度大小为a1;在被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x2,加速度大小为a2;
用毛刷开始擦冰面时冰壶的速度为v,则
由μmg=ma1,得:a1=μg
由μmg=ma2,得:a2=
μg
又2a1x1=-v2
又2a2x2=v2
而x=x1+x2
解得:x2=2l-
答:运动员用毛刷擦冰面的长度应为2l-.
如图所示,总质量为m=75kg的滑雪者以初速度v0=8m/s沿倾角为θ=37°的斜面向上自由滑行,已知雪橇与斜面问动摩擦因数μ=0.25,假设斜面足够长.不计空气阻力.试求:
(1)滑雪者沿斜面上滑的最大距离.
(2)若滑雪者滑至最高点后掉转方向向下自由滑行,求他滑到起点时的速度大小.
正确答案
(1)上滑过程中对人进行受力分析,滑雪者受重力mg,弹力FN,摩擦力f,并设滑雪者的加速度为a1,受力如图
根据牛顿第二定律有:
mgsinθ+f=ma1,a1 的方向沿斜面向下. ①
由平衡关系有:FN=mgcosθ ②
根据动摩擦定律有:f=μFN ③
由以上各式解得:a1=g(sinθ+μcosθ)=8m/s ④
滑雪者沿斜面向上做匀减速直线运动,减速到零的位移为:x==4m ⑤
即滑雪者上滑的最大距离为4m
(2)滑雪者沿斜面下滑时,滑雪者收到的摩擦力沿斜面向上,受力如图
设加速度大小为a2
根据牛顿第二定律有:
mgsinθ-f=ma2 ⑥
由平衡关系有:FN=mgcosθ ⑦
根据动摩擦定律有:f=μFN ⑧
由以上各式解得:a2=g(sinθ-μcosθ)=4m/s2 ⑨
滑雪者沿斜面向下做初速度为零的匀加速直线运动,滑到出发点的位移为:x=4m/s
则滑雪者再次回到起点的速度为:v==4
m/s=5.7m/s ⑩
答:(1)滑雪者沿斜面上滑的最大距离4m
(2)滑雪者再次回到起点的速度为5.7m/s
一个小型火箭从地面上竖直向上发射,加速度大小为8m/s2.10秒末从火箭上掉
下一个小球.
试求:①小球从离开火箭到落地用了多少时间.
②小球着地时的速度大小.
③小球从脱落到着地时火箭上升的高度.
正确答案
(1)小球在10s末的速度v1=a1t1=8×10m/s=80m/s
此时小球离地面的高度为h1=a1t12=
×8×102=400m
小球继续上升的高度h2==
m=320m,
上升的时间t1==
s=8s.
小球上升到最高点后做自由落体运动,
有h1+h2=gt22,
t2==
s=12s.
则t=t1+t2=20s.
故小球从离开火箭到落地用时20s.
(2)小球着地时的速度v=gt2=10×12m/s=120m/s.
故小球着地时的速度为120m/s.
(3)小球离开火箭时火箭的速度为80m/s.
小球从脱落到着地时火箭上升的高度为H2=v1t+a1t2=80×20+
×8×202=3200m.
故火箭上升的高度为3200m.
如图所示为汽车刹车痕迹长度x(即刹车距离)与刹车前车速v(汽车刹车前匀速行驶)的关系图像。例如,当刹车痕迹长度为40 m时,刹车前车速为80 km/h。
(1)假设刹车时,车轮立即停止转动,尝试用你学过的知识定量推导并说明刹车痕迹与刹车前车速的关系;
(2)在处理一次交通事故时,交警根据汽车损坏程度估计出碰撞时的车速为40 km/h,并且已测出刹车痕迹长度为20 m,清你根据图像帮助交警确定出该汽车刹车前的车速,并在图像中的纵轴上用字母A标出这一速度。
正确答案
解:(1)设汽车的质量为m,轮胎与路面间的动摩擦因数为μ,由牛顿第二定律得μmg=ma ①
由运动学公式得- 2ax=-v2 ②
故 ③
即刹车痕迹与刹车前车速的平方成正比
(2)汽车相撞时的速度为40 km/h,从这个速度减到零,汽车还要向前滑行10 m,撞前汽车已经滑行20 m,所以,如果汽车不相撞,应滑行30 m停下。滑行30m对应的初速度如图中的A点对应速度
汽车刹车前的速度为68 km/h(66~70km/h均可)
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