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简答题

如图所示,一个质量m = 20kg的物块,在F = 60N的水平拉力作用下,从静止开始沿水平地面向右做匀加速直线运动。物块与地面间的动摩擦因数μ = 0.10。取重力加速度g = 10m/s2

(1)画出物块的受力示意图;

(2)求物块运动的加速度大小;

(3)求物块速度达到v = 6.0m/s时移动的距离。

正确答案

解:(1)受力如图所示

(2)建立如图所示的直角坐标系,根据牛顿第二定律,

x方向:F-Ff = ma

y方向:FN-mg = 0

摩擦力:Ff =μFN 解得 a = 2.0m/s

(3)根据,解得 x = 9.0m 。

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简答题

如图所示,某货场需将质量为m1=100kg的货物(可视为质点)从高处运送至地面,为避免货物与地面发生撞击,现利用固定于地面的光滑四分之一圆轨道,使货物由轨道顶端无初速滑下,轨道半径R=1.8m。地面上紧靠轨道依次排放两块完全相同的木板A、B,长度均为l=2m,质量均为m2=100kg,木板上表面与轨道末端相切。货物与木板间的动摩擦因数为μ1,木板与地面间的动摩擦因数μ2=0.2。(最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等,取g=10 m/s2

(1)求货物到达圆轨道末端时对轨道的压力。

(2)若货物滑上木板A时,木板不动,而滑上木板B时,木板B开始滑动,求μ1应满足的条件。

(3)若μ1=0.5,求货物滑到木板A末端时的速度和在木板A上运动的时间。

正确答案

解:(1)设货物滑到圆轨道末端时的速度为v0,对货物的下滑过程,

根据机械能守恒定律得

设货物在轨道末端所受支持力的大小为FN,根据牛顿第二定律得

联立①②式,代入数据得 FN=3000N③

根据牛顿第三定律,货物对轨道的压力大小为3000N,方向竖直向下。

(2)若滑上木板A时,木板不动,由受力分析得 μ1m1g≤μ2(m1+2m2)g④

若滑上木板B时,木板B开始滑动,由受力分析得 μ1m1g>μ2(m1+m2)g⑤

联立④⑤式,代入数据得 0.4<μ1≤0.6⑥

(3)μ1=0.5,由⑥式可知,货物在木板A上滑动时,木板不动。

设货物在木板A上做减速运动时的加速度大小为a1,由牛顿第二定律得μ1m1g=m1a1

设货物滑到木板A末端时的速度为v1,由运动学公式得v12-v02=-2a1l⑧

联立①⑦⑧式,代入数据得v1=4m/s⑨

设在木板A上运动的时间为t,由运动学公式得v1=v0-a1t⑩

联立①⑦⑨⑩式,代入数据得t=0.4s

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水平传送带以2 m/s的速度运行,将质量为2 kg的工件沿竖直方向轻轻放在传送带上(设传送带速度不变),如图所示,工件与传送带之间动摩擦因数μ=0.2,放上后工件在5s内的位移是多少?摩擦力对工件做的功是多少?(g取 10 m/s2

正确答案

解:

工件只有摩擦力使它产生加速度,由牛顿第二定律,有:μmg= ma,所以a=μg, 由运动学公式知,达到v=2 m/s的时间为:

位移为:

由以上计算可知,工件经1s后速度达到2m/s,而以后工件和传送带一起匀速运动,所以工件在5s内位移为: s =s1+v(5 -t)=1 m+2×4 m=9m.

在工件与传送带一起运动之前才有摩擦力存在,所以摩擦力对物体做功为:

Wf=Ffs1=μmgs1=0.2×2×10×1J=4J.

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如图所示,一质量m=2kg的物体静止在水平地面上,它与地面间的动摩擦因数µ=0.2,现用一水平向右的恒力F=10N推物体,使其做匀加速运动,经时间t=4s撤去推力F,物体又向前滑行了一段距离后停止运动,取g=10m/s2,试求:

(1)物体在4s末时刻的速度.

(2)物体滑行的总位移.

正确答案

(1)根据牛顿第二定律得,有:

F-μmg=ma1

则a1==m/s2=3m/s2

则4s末的速度v=a1t=12m/s.

(2)物体匀加速直线运动的位移x1==m=24m.

根据牛顿第二定律,物体做匀减速直线运动的加速度a2=μg=2m/s2

则物体匀减速直线运动的位移x2==m=36m

则物体滑行的总位移x=x1+x2=24+36m=60m.

答:(1)物体在4s末时刻的速度为12m/s.

(2)物体滑行的总位移为60m.

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一质量m=0.5kg的滑块以一定的初速度冲上一倾角为30°足够长的斜面,某同学利用DIS实验系统测出了滑块冲上斜面过程中多个时刻的瞬时速度,如图所示为通过计算机绘制出的滑块上滑过程的v-t图.求:(g取10m/s2

(1)滑块冲上斜面过程中加速度大小;

(2)滑块与斜面间的动摩擦因数;

(3)判断滑块最后能否返回斜面底端?若能返回,求出返回斜面底端时的动能;若不能返回,求出滑块停在什么位置.

正确答案

(1)滑块的加速度为:a===-12(m/s2)

(2)物体在冲上斜面过程中经受力分析得:mgsinθ+μmgcosθ=ma

得:μ===0.81

(3)由于μ>tan30°,故滑块速度减小到零时,重力的分力小于最大静摩擦力,不能再下滑.

s===1.5(m)

滑块停在距底端1.5m处.

答:(1)滑块冲上斜面过程中加速度大小为12m/s2

(2)滑块与斜面间的动摩擦因数为0.81;

(3)不能返回,滑块停在距底端1.5m处.

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2011年初,我国南方多次遭受严重的冰灾,给交通运输带来巨大的影响.已知汽车橡胶轮胎与普通路面的动摩擦因数为0.7,与冰面的动摩擦因数为0.1.当汽车以某一速度沿水平普通路面行驶时,急刹车后(设车轮立即停止转动),汽车要滑行14m才能停下.那么,在冰冻天气,该汽车若以同样速度在结了冰的水平路面上行驶,急刹车后汽车继续滑行的距离增大了多少?

正确答案

设初速度为v0.当汽车在水平普通路面上急刹车时,

    由牛顿第二定律得  μ1mg=ma1

得a11g=7 m/s2   

又v02=2a1x1

得v0==14m/s  

当汽车在水平冰面上急刹车时,

    μ2mg=ma2

得a22g=1 m/s2

又v02=2a2x2

得x2=98 m    

所以急刹车后汽车继续滑行的距离增大了

△x=x2-x1=84m

答:以同样速度在结了冰的水平路面上行驶,急刹车后汽车继续滑行的距离增大了84m.

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如图所示,一长木板质量为M=4 kg,木板与地面的动摩擦因数μ1=0.2,质量为m=2kg的小滑块放在木板的右端,小滑块与木板间的动摩擦因数μ2=0.4。开始时木板与滑块都处于静止状态,木板的右端与右侧竖直墙壁的距离L=2.7 m,现给木板以水平向右的初速度v0=6 m/s使木板向右运动,设木板与墙壁碰撞时间极短,且碰后以原速率弹回,取g=10 m/s2,求:  

(1)木板与墙壁碰撞时,木板和滑块的瞬时速度各是多大?

(2)木板与墙壁碰撞后,经过多长时间小滑块停在木板上?

正确答案

解:(1)木板获得初速度后,与小滑块发生相对滑动,木板向右做匀减速运动,滑块向右做匀加速运动,加速度大小分别为

设木板与墙碰撞时,木板的速度为vM,小滑块的速度为vm,根据运动学公式有

解得vM=3 m/s

时间

故vm=amt1=2.4 m/s

(2)设木板反弹后,小滑块与木板达到共同速度所需时间为t2,共同速度为v,以水平向左为正方向

对木板有v=vM-aMt2对滑块有v=-vm+amt2代入数据解得t2=0.6 s

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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 = 5.0 m,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= 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

解:(1)物体受力如图所示。

由牛顿运动定律:mgsin-N = ma

                            N - mgcos= 0

解得:a = gsin-gcos=2m/s2(2)由vc2= 2as,

求出:vc = 2m/s

(3)由牛顿运动定律:

由0 - vc2 = 2(- )

解得:= 2.0m

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如图所示,圆环的质量为M,经过环心的竖直细钢丝AB上套一质量为m的小球,今将小球沿钢丝AB以初速度0从A点竖直向上抛出,致使环对地面的压力恰好为零,求:

(1)小球上升的加速度;

(2)小球能达到的最大高度。(球不会碰到B点)

正确答案

解:(1)环对地面的压力恰好为零,说明它所受小球的滑动摩擦力F1与环自身重力G1恰平衡,所以二者大小相等,即:F1=G1=Mg

小球受力如图,其中F2与F1为作用力和反作用力关系,大小相等,所以F2=Mg

由牛顿第二定律得:F2+G2=ma

所以小球上升的加速度大小为:a=(F2+G2)/m=(M+m)g/m

小球上升的加速度方向竖直向下

       

(2)小球上升到最高点时速度等于零,由得:

所以小球能上升的最大高度hm=

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滑板运动是一项陆地上的“冲浪运动”,如图甲所示,OAB是同一竖直平面上的滑行轨道,其中OA段是长27m的水平轨道,AB段是倾角θ=37°足够长的斜直轨道,OA与AB在A点平滑连接。已知滑板及运动员总质量为60kg,运动员从水平轨道向左滑向斜直轨道,滑到O点开始计时,其后一段时间内的运动图象如图乙所示。将滑板及运动员视为质点,滑过拐角时速度大小不变,在水平和斜直轨道上滑板和接触面间的动摩擦因数相同。(取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,忽略空气阻力)求:

(1)滑板与接触面间的动摩擦因数;

(2)运动员到达坡底A点时速度大小;

(3)运动员沿坡上滑的最大距离。(保留三位有效数字)

正确答案

解:(1)由运动图象知a==-2m/s2

      在水平方向由牛顿第二定律得:-μmg=ma

      联立解得:μ=0.2

(2)设人运动到A点时速度为v,由运动学公式v2-v02=2ax

      解得:v=6m/s

(3)运动员冲上斜面后做匀减速运动,设减速过程的加速度为a′

      由牛顿第二定律得:-mgsinθ-μFN=ma′

      FN=mgcosθ

      解得:a′=-7.6m/s2

      设沿坡上滑的最大距离为x,由运动学公式:0-v2=2a′x

      解得:x=2.37m

      即沿坡上滑的最大距离为2.37m

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如图所示,一水平圆盘绕过圆心的竖直轴转动,圆盘边缘有一质量m=1.0 kg的小滑块。当圆盘转动的角速度达到某一数值时,滑块从圆盘边缘滑落,经光滑的过渡圆管进入轨道ABC。已知AB段斜面倾角为53°,BC段斜面倾角为37°,滑块与圆盘及斜面间的动摩擦因数均μ=0.5,A点离B点所在水平面的高度h=1.2 m。滑块在运动过程中始终未脱离轨道,不计在过渡圆管处和B点的机械能损失,最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力,取g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。

(1)若圆盘半径R=0.2 m,当圆盘的角速度多大时,滑块从圆盘上滑落?

(2)若取圆盘所在平面为零势能面,求滑块到达B点时的机械能。

(3)从滑块到达B点时起,经0.6 s正好通过C点,求BC之间的距离。

正确答案

解:(1)滑块在圆盘上做圆周运动时,静摩擦力充当向心力,根据牛顿第二定律,可得:μmg=mω2R

代入数据解得:

(2)滑块在A点时的速度:vA=ωR=1 m/s

从A到B的运动过程由动能定理得:mgh-μmgcos53°×h/sin53°=

在B点时的机械能为:

(3)滑块在B点时的速度:vB=4 m/s

滑块沿BC段向上运动时的加速度大小:a1=g(sin37°+μcos37°)=10 m/s2

返回时的加速度大小:a2=g(sin37°-μcos37°)=2 m/s2

BC间的距离:

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下雪天,卡车在笔直的高速公路上匀速行驶.司机突然发现前方停着一辆故障车,他将刹车踩到底,车轮被抱死,但卡车仍向前滑行,并撞上故障车,且推着它共同滑行了一段距离l后停下.事故发生后,经测量,卡车刹车时与故障车距离为L,撞车后共同滑行的距离l=L.假定两车轮胎与雪地之间的动摩擦因数相同.已知卡车质量M为故障车质量m的4倍.

(1)设卡车与故障车相撞前的速度为v1,两车相撞后的速度变为v2,求

(2)卡车司机至少在距故障车多远处采取同样的紧急刹车措施,事故就能免于发生.

正确答案

(1)由碰撞过程动量守恒Mv1=(M十m)v2        ①

=

2)设卡车刹车前速度为v0,轮胎与雪地之间的动摩擦因数为μ,根据动能定理得:

两车相撞前卡车动能变化Mv02-Mv12=μMgL  ②

碰撞后两车共同向前滑动,动能变化 (m+M)v22-0=μ(m+M)gl   ③

由②式  v02-v12=2μgL

由③式  v22=2μgl

又因l=L,得  v02=3μgl

如果卡车滑到故障车前便停止,由 Mv02=μMgL′④

解得:L′=L

这意味着卡车在距故障前至少L处便紧急刹车,才能免于事故.

答:(1)设卡车与故障车相撞前的速度为v1,两车相撞后的速度变为v2=

(2)卡车在距故障前至少L处便紧急刹车,才能免于事故.

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如图所示,某物块(可看成质点)从A点沿竖直光滑的圆弧轨道,由静止开始滑下,圆弧轨道的半径,末端B点与水平传送带相切,物块由B点滑上粗糙的传送带。若传送带静止,物块滑到传送带的末端C点后做平抛运动,落到水平地面上的D点,已知C点到地面的高度H=5m,C点到D点的水平距离为,g=10m/s2。求:

(1)物块滑到B点时速度的大小;

(2)物块滑到C点时速度的大小;

(3)若传送带不静止,则物块最后的落地点可能不在D点。取传送带顺时针转动为正方向,试讨论物块落地点到C点的水平距离x与传送带匀速运动的速度v的关系,并作出x-v的图象。

       

正确答案

解:(1)从A到B,由动能定理得:mgR=1/2mv12,v1=m/s

(2)从C到D做平抛运动,竖直方向有:H=1/2gt2,t=1s

水平方向上有:x1=v2t,v2=1m/s

(3)若物体在传送带上一直加速,到C点时速度为v3,由运动学规律有:

v22-v12=-2as,v32-v12=-2as

v3=3m/s

讨论:(1)若传送带逆时针转动:x=x1=1m

(2)若传动带顺时针转动:

Ⅰ、当0<v≤1m/s时,x=x1=1m

Ⅱ、当1m/s<v≤3m/s时,x=vt=v

Ⅲ、当v>3m/s时,x=v2t=3m

图像如图所示

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简答题

如图所示,一位质量m=65kg参加“挑战极限运动”的业余选手,要越过一宽度为s=3m的水沟,跃上高为h=1.8m的平台,采用的方法是:人手握一根长L=3.05m的轻质弹性杆一端。从A点由静止开始匀加速助跑,至B点时,杆另一端抵在O点的阻挡物上,接着杆发生形变,同时人蹬地后被弹起,到达最高点时杆 处于竖直,人的重心恰位于杆的顶端,此刻人放开杆水平飞出,最终趴落到平台上,运动过程中空气阻力可忽略不计。(g取10m/s2

(1)设人到达B点时速度v0=8m/s,人匀加速运动的加速度a=2m/s2,求助跑距离SAB

(2)设人跑动过程中重心离地高度H=1.0m,在(1)、(2)问的条件下,在B点人蹬地弹起瞬间,人至少再做多少功?

正确答案

解:(1)

(2)

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简答题

小球在外力作用下,由静止开始从A点出发做匀加速直线运动,到B点时消除外力。然后,小球冲上竖直平面内半径为R的光滑半圆环,恰能维持在圆环上做圆周运动通过最高点C,到达最高点C后抛出,最后落回到原来的出发点A处,如图所示,试求:

(1)小球运动到B点时的速度;

(2)A、B之间的距离;

(3)小球在AB段运动的加速度为多大?

正确答案

(1)

(2)SAB=2R

(3)

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