- 匀变速直线运动的研究
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某人欲将质量m=2.0×102kg的货箱推上高h=1.0m的卡车,他使用的是一个长L=5.0m的斜面(斜面与水平面平滑连接),如图所示.假设货箱与水平面和斜面的动摩擦因数均为μ=0.10,此人沿平行于地面和斜面对货箱所施的最大推力均为Fm=4.0×102N.为计算方便可认为cosθ≈1,g取10m/s2.
(1)通过计算说明此人从斜面底端,用平行于斜面的力不能把货箱匀速推上卡车;
(2)此人要把货箱推上卡车,需要先在水平地面上推动货箱做加速运动,使货箱在斜面的底端 A处具有一定的速度,接着继续用平行于斜面最大推力Fm推货箱.为把货箱推到斜面顶端的卡车上,货箱在斜面底端的速度至少为多大?
(3)此人先以水平力,后以平行于斜面的力推货箱,推力大小总是Fm,那么,把静止于地面的货箱从水平面推到卡车上至少需做多少功?
正确答案
(1)设货箱与斜面间的滑动摩擦力为f,斜面对货箱的支持力为N,斜面倾角为θ,平行于斜面用力把货箱匀速推上卡车用力为F,则:
f=μN
N=mgcosθ
F=f+mgsinθ
F=6.0×102N
因为Fm小于需要的推力6.0×102N,所以不能把货箱匀速推上卡车.
(2)欲求货箱在斜面低端的最小速度,则可设货箱到达斜面顶端时速度为零.设货箱在斜面上做匀减速运动的加速度大小为a1,货箱在斜面底端时速度至少为v,根据牛顿第二定律:
mgsinθ+μmgcosθ-Fm=ma1解得:
a1=1.0 m/s2
根据运动学公式有:v2=2a1L
解得:v=m/s≈3.2m/s
(3)要使推力做功最少,则货箱到达斜面顶端时速度为零,即货箱通过A点时速度为v,设货箱在推力Fm作用下沿水平面运动距离为s到斜面底端时,速度大小为v,根据动能定理有:
Fms-μmgs=mv2解得:s=5.0m
此人在全过程做的功为:W=Fm(s+L)=4.0×103J;
答:(1)不能将货箱推上去;
(2)货箱在斜面底端的速度至少为3.2m/s;
(3)此人在全程做的功为4.0×103J.
图中有一个竖直固定在地面的透气圆筒,筒中有一劲度为k的轻弹簧,其下端固定,上端连接一质量为m的薄滑块,圆筒内壁涂有一层新型智能材料——ER流体,它对滑块的阻力可调。起初,滑块静止,ER流体对其阻力为0,弹簧的长度为L,现有一质量也为m的物体从距地面2L处自由落下,与滑块碰撞后粘在一起向下运动。为保证滑块做匀减速运动,且下移距离为时速度减为0,ER流体对滑块的阻力须随滑块下移而变。试求(忽略空气阻力):
(1)下落物体与滑块碰撞过程中系统损失的机械能;
(2)滑块向下运动过程中加速度的大小;
(3)滑块下移距离d时ER流体对滑块阻力的大小。
正确答案
解:(1)设物体下落末速度为v0,由机械能守恒定律
,得
设碰后共同速度为v1,由动量守恒定律
2mv1=mv0,得
碰撞过程中系统损失的机械能
(2)设加速度大小为a,有
得
(3)设弹簧弹力为FN,ER流体对滑块的阻力为FER,受力分析如图所示
FS=kx
x=d+mg/k
得
在足够大的绝缘光滑水平面上有一质量m=1.0×10-3kg、带电量q=1.0×10-10C的带正电的小球,静止在O点.以O点为原点,在该水平面内建立直角坐标系Oxy.在t0=0时突然加一沿x轴正方向、大小E1=2.0×106V/m的匀强电场,使小球开始运动.在t1=1.0s时,所加的电场突然变为沿y轴正方向、大小E2=2.0×106V/m的匀强电场.在t2=2.0s时所加电场又突然变为另一个匀强电场E3,使小球在此电场作用下在t3=3.0s时速度变为零.求:
(1)在t1=1.0s时小球的速度v1的大小;
(2)在t2=2.0s时小球的位置坐标x2、y2;
(3)匀强电场E3的大小;
(4)请在图的坐标系中绘出该小球在这3s内的运动轨迹.
正确答案
(1)在0-1.0s时间内小球沿x轴正方向做匀加速运动,则有 a1==
m/s2=0.2m/s2,v1=a1•△t1=0.2×1.0m/s=0.2m/s;在0-1.0s时间内小球的位移为x1=
a1(△t)2=0.1m,小球从原点运动到(0.1m,0)处;
(2)在t1=1.0s到t2=2.0s的时间内,x2=x1+a1△t22+v1△t2=0.1m+
×0.2×1.02m+0.2×1m=0.4m,y2=
a2△t22=
×0.2×1.02m=0.1m.
(3)由v22=2v12,得t2=2.0s时小球的速度为:v2=v1=
×0.2m/s=0.28m/s,a3=
=
m/s2=0.28m/s2,
E3==
=2.8×106V/m
(4)带电小球的运动情况如下:在0-1.0s时间内小球的位移为x1=a1(△t)2=0.1m,小球从原点运动到(0.1m,0)处;在t1=1.0s到t2=2.0s的时间内,小球的轨迹是抛物线,从(0.1m,0)处运动到(0.4m,0.1m)处;在t2=2.0s到t3=3.0s的时间内,小球运动的位移为x3=
a3(△t)2=0.28m,从(0.4m,0.1m)处沿直线运动到(0.4m,0.2m)处;画出三段运动轨迹如图,
答:(1)在t1=1.0s时小球的速度v1的大小为0.2m/s;
(2)在t2=2.0s时小球的位置坐标x2为0.4m,y2为0.1m.
(3)匀强电场E3的大小为2.8×106V/m;
(4)绘出该小球在这3s内的运动轨迹如图所示.
如图所示,质量m=1.0kg的物块在倾角θ的斜面上,由静止开始释放,过B点时速度为2.0m/s,过C点时速度为3.0m/s.已知BD长为2.1m,CD长为1.6m.(g取10m/s2)
(1)物块下滑的加速度多大?
(2)选D处为零势能面,写出物块下滑过程中最大重力势能与倾角θ的关系式.
(3)假设物块下滑过程中机械能守恒,则倾角θ是多少?
正确答案
(1)从B到C过程中,x=0.5m
由υC2-υB2=2ax得
代入解得 a=5m/s2
(2)A点速度为零,从A到B距离为x′
由υB2-02=2ax′
得到x'=0.4m
所以相对于D,A的高度为H=(x′+BD)sinθ=2.5sinθ
最大重力势能EPm=mgH=25sinθ
(3)从B到C过程中,若机械能守恒,则有EKB+EPB=EKC+EpC
即:mgBCsinθ=m(υc2-υB2)
代入解得 θ=30°
答:
(1)物块下滑的加速度是5m/s2.
(2)选D处为零势能面,物块下滑过程中最大重力势能与倾角θ的关系式为EPm=25sinθ.
(3)假设物块下滑过程中机械能守恒,则倾角θ是30°.
如图所示,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,自然状态时其右端位于B点。D点位于水桌面最右端,水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP,其形状为半径R=0.8m的圆环剪去左上角135°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离为R,P点到桌面右侧边缘的水平距离为2R。用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点。用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点释放,物块过B点后其位移与时间的关系为,物块从D点飞离桌面后恰好由P点沿切线落入圆轨道。g=10m/s2,求:
(1)BD间的水平距离;
(2)判断m2能否沿圆轨道到达M点;
(3)m2释放后在桌面上运动的过程中克服摩擦力做的功。
正确答案
解:(1)设物块由D点以初速度做平抛,落到P点时其竖直速度为
,
得m/s
或设平抛用时为t,则
在竖直方向上:
在水平方向上:
可得
在桌面上过B点后初速m/s,加速度a=-4m/s2
BD间位移为m
(2)若物块能沿轨道到达M点,其速度为,由机械能守恒定律得:
轨道对物块的压力为FN,则
解得
即物块不能到达M点
(3)设弹簧长为AC时的弹性势能为Ep,物块与桌面间的动摩擦因数为μ
释放m1时:
释放m2时:
且m1=2m2
解得J
m2释放后在桌面上运动过程中克服摩擦力做功为Wf,则由能量转化及守恒定律得:
解得Wf=5.6J
图中有一个竖直固定在地面的透气圆筒,筒中有一劲度为k的轻弹簧,其下端固定,上端连接一质量为m的薄滑块,圆筒内壁涂有一层新型智能材料——ER流体,它对滑块的阻力可调。起初,滑块静止,ER流体对其阻力为0,弹簧的长度为L,现有一质量也为m的物体从距地面2L处自由落下,与滑块碰撞后粘在一起向下运动。为保证滑块做匀减速运动,且下移距离为时速度减为0,ER流体对滑块的阻力须随滑块下移而变。试求(忽略空气阻力):
(1)下落物体与滑块碰撞过程中系统损失的机械能;
(2)滑块向下运动过程中加速度的大小;
(3)滑块下移距离d时ER流体对滑块阻力的大小。
正确答案
解:(1)设物体下落末速度为v0,由机械能守恒定律
,得
设碰后共同速度为v1,由动量守恒定律
2mv1=mv0,得
碰撞过程中系统损失的机械能
(2)设加速度大小为a,有
得
(3)设弹簧弹力为FN,ER流体对滑块的阻力为FER,受力分析如图所示
FS=kx
x=d+mg/k
得
一个质量m=0.1kg的正方形金属框总电阻R=0.5Ω,金属框从表面绝缘且光滑的斜面顶端(金属框上端与AA′重合)由静止开始沿斜面下滑,下滑过程中穿过一段边界与斜面底边BB′平行、宽度与线框边长相同的匀强磁场后滑至斜面底端(金属线框下边与BB′重合),设金属框在下滑过程中的速度为v,与其对应的位移为s,整个运动过程的v2-s图象如图所示,已知匀强磁场方向垂直斜面向上,取g=10m/s2
(1)根据v2-s图象所提供的信息,计算出斜面倾角θ和磁场宽度d.
(2)匀强磁场的磁感应强度多大?
正确答案
(1)据v2-s图象知,当线框进入磁场时:v2=16(m/s)2,s=1.6m
由v2=2as得:a==5m/s2.
对线框,由牛顿第二定律得:mgsinθ=ma
解得:θ=30°
磁场的宽厚d=2m=0.5m
(2)由图线知线框穿过磁场的过程中匀速运动,且v=m/s=4m/s
由平衡条件得:F磁=mgsinθ
又F磁=BId=Bd•=
由上两式解得:B=0.5T
答:
(1)斜面倾角θ为30°,磁场宽度d是0.5m.
(2)匀强磁场的磁感应强度是0.5T.
从静止开始做匀加速直线运动的汽车,第1s内的位移为0.4m,则
[ ]
正确答案
汽车刹车后开始做匀减速运动,第1s内和第2s内的位移分别为3m和2m,那么
[ ]
正确答案
从静止开始做匀加速直线运动的物体,第1s内通过的位移为0.3m,则
[ ]
正确答案
一质点沿直线ox做加速运动,它离开O点的距离随时间t的变化关系为x=5+2t3,其中x的单位是m,t的单位是s,它的速度v随时间t的变化关系是v=6t2,其中t的单位是s。设该质点在t=0到t=2s间的平均速度为v1,t=2s到t=3s间的平均速度为v2,则
[ ]
正确答案
一个物体由静止开始做加速度为4m/s2的匀加速直线运动,关于前3s内的运动情况,下列叙述正确的是
[ ]
正确答案
A、B两辆汽车在笔直的公路上同向行驶。A车一直以20m/s的速度做匀速运动,当B车在A车前80m处时,B车速度为4m/s,且正以2m/s2的加速度做匀减速运动。则A车须经几秒可以追上B车?
[ ]
正确答案
一个物体做单向加速直线运动,依次经过A、B、C三点,B为AC的中点,物体在AB段的加速度恒为a1,在BC段的加速度恒为a2,已知物体在A、B、C三点的速度分别为vA、vB、vC,且有vA<vC,vB=(vA+vC)/2,则加速度a1、a2的大小关系为
[ ]
正确答案
一小球沿斜面滑下,依次经过A.B.C三点,已知AB=6m,CB=10m,小球经过AB和BC两段所用的时间均为2s;则小球在经过A.B.C三点的速度大小分别为( )
正确答案
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