- 匀变速直线运动的研究
- 共14248题
足球比赛中,经常使用“边路突破,下底传中”的战术,即攻方队员带球沿边线前进,到底线附近进行传中。某足球场长90m、宽60m。攻方前锋在中线处将足球沿边线向前踢出,足球的运动可视为在地面上做初速度为12m/s的匀减速直线运动,加速度大小为2m/s2。试求:
(1)足球从开始做匀减速运动到停下来的位移为多大?
(2)足球开始做匀减速直线运动的同时,该前锋队员沿边线向前追赶足球。他的启动过程可以视为初速度为0,加速度为2m/s2的匀加速直线运动,他能达到的最大速度为8m/s。该前锋队员至少经过多长时间能追上足球?
(3)若该前锋队员追上足球后,又将足球以10m/s的速度沿边线向前踢出,足球的运动仍视为加速度大小为2m/s2的匀减速直线运动。与此同时,由于体力的原因,该前锋队员以6m/s的速度做匀速直线运动向前追赶足球,通过计算判断该前锋队员能否在足球出底线前追上。
正确答案
解:(1)已知足球的初速度为,加速度大小为
足球做匀减速运动的时间为:
运动位移为:
(2)已知前锋队员的加速度为,最大速度为
,前锋队员做匀加速运动达到最大速度的时间和位移分别为:
之后前锋队员做匀速直线运动,到足球停止运动时,其位移为:
由于,故足球停止运动时,前锋队员没有追上足球,然后前锋队员继续以最大速度匀速运动追赶足球利用公式
,得
前锋队员追上足球的时间
(3)此时足球距底线的距离为:,速度为v3=10m/s
足球运动到停止的位移为:
所以,足球运动到底线时没停
由公式,足球运动到底线的时间为:t4=1 s
前锋队员在这段时间内匀速运动的位移:
所以前锋队员不能在底线前追上足球
如图所示,质量为m=1 kg,长为L=3 m的平板车,其上表面距离水平地面的高度为h=0.2 m,以速度v0=5 m/s向右做匀速直线运动,A、B是其左、右两个端点。从某时刻起对平板车施加一个大小为4N的水平向左的恒力F,并同时将一个小球轻放在平板车上的P点(小球可视为质点,放在P点时相对于地面的速度为零),经过一段时间,小球从平板车左端的A点脱离平板车落到地面上不计所有摩擦力,g取10m/s2,求:
(1)小球从放到平板车上开始至落到地面所用的时间;
(2)小球落地瞬间,平板车的速度多大?
正确答案
解:(1)对平板车施加恒力F后,平板车向右做匀减速直线运动,车向左的加速度大小为
小球到达左端A时,车向右的位移
此时车向右的速度v1=
小球到达左端A所用时间设为t1,则
小球离开车后做自由落体运动,设下落时间为t2,则
解得
所以,小球从放到甲板车上开始至落到地面所用的时间t=t1+t2=0.7 s
(2)小球落地瞬间,平板车的速度v2=v1-at2
解得v2=2.2m/s
一物体由静止开始以加速度a1匀加速运动,经过一段时间后,加速度突然反向,且大小变为a2经过相同时间恰好回到出发点,速度大小为5m/s。求物体加速度改变时速度的大小和a1/a2的值。
正确答案
2.5m/s,1/3
北京奥运会,中国男子4×100 m接力队历史性地闯入了决赛。决赛上却因交接棒失误,被取消了比赛成绩。有甲乙两运动员在训练交接棒的过程中发现,甲短距离加速后能保持9 m/s的速度跑完全程。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x0处作了标记,当甲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立即起跑(忽略声音传播的时间及人的反应时间),已知接力区的长度为L=20 m,设乙起跑后的运动是匀加速运动,试求:
(1)若x0=13.5 m,且乙恰好在速度达到与甲相同时被甲追上,完成交接棒,则在完成交接棒时乙离接力区末端的距离为多大?
(2)若x0=16 m,乙的最大速度为8 m/s,并能以最大速度跑完全程,要使甲乙能在接力区完成交接棒,则乙在听到口令后加速的加速度最大为多少?
正确答案
解:(1)设经过时间t,甲追上乙,则根据题意有vt-vt/2=x0
将v=9 m/s代入得到:t=3 s
又v=at
解得:a=3 m/s2
在追上乙的时候,乙走的距离为x
则:x=at2/2
代入数据得到x=13.5 m
所以乙离接力区末端的距离为x'=L-x=6.5 m
(2)由题意可知,乙的加速度越大,在完成交接棒时走过的距离越长。当在接力区的边缘完成交接棒时,乙的加速度最大
设乙的加速度为a2
运动的时间t=
乙加速的时间t1=
L=a2t12+v乙(t-t1)
a2=m/s2=2.67 m/s2
(9分)如图,在水平地面上有两物块甲和乙,它们的质量分别为2m、m,甲与地面间无摩擦,乙与地面间动摩擦因数为μ。现让甲物体以速度v0向着静止的乙运动并发生正碰,试求:
(i)甲与乙第一次碰撞过程中系统的最小动能;
(ii)若甲在乙刚停下来时恰好与乙发生第二次碰撞,则在第一次碰撞中系统损失了多少机械能?
正确答案
(i)mv02 (ii)
mv02
试题分析:(i)碰撞过程中系统动能最小时,为两物体速度相等时,设此时两物体速度为v
由系统动量守恒2mv0=3mv
得v = v0 (2分)
此时系统动能
Ek=·3m·v2=
mv02 (1分)
(ii)设第一次碰撞刚结束时甲、乙的速度分别为v1、v2,之后甲做匀速直线运动,乙以v2初速度做匀减速直线运动,在乙刚停下时甲追上乙碰撞,因此两物体在这段时间平均速度相等,有
v1= (2分)
而第一次碰撞中系统动量守恒有
2mv0=2mv1+mv2 (2分)
由以上两式可得
v1=
v2=v0
所以第一次碰撞中的机械能损失为
E=·2m·v02 -
·2m·v12 -
·m·v22
=mv02 (2分)
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9 m/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=13.5 m处作了标记,并以V=9 m/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=20 m。求:
(1)此次练习中乙在接棒前的加速度a。
(2)在完成交接棒时乙离接力区末端的距离。
正确答案
解:(1)在甲发出口令后,甲乙达到共同速度所用时间为:
设在这段时间内甲、乙的位移分别为S1和S2,则:
S1=S2+S0 联立以上四式解得:
(2)在这段时间内,乙在接力区的位移为:
完成交接棒时,乙与接力区末端的距离为:L-S2=6.5 m
一辆值勤的警车停在公路边,当警员发现从他旁边以10 m/s的速度匀速行驶的货车严重超载时,决定前去追赶,经过5.5 s后警车发动起来,并以2.5m/s2的加速度做匀加速运动,但警车的行驶速度必须控制在25 m/s以内,问:
(1)警车在追赶货车的过程中,两车间的最大距离是多少?
(2)警车发动后要多长时间才能追上货车?
正确答案
解:(1)当两车速度相等时,它们的距离最大。设警车发动后经过t1时间两车的速度相等,则
t1=
此时两车位移
所以两车间的最大距离△x=x货-x警=75 m
(2)警车刚达到最大速度v=25 m/s的时间=10s
此时两车位移为,x货'=v(t0+t2)=155m
由于x警'< x货',所以此时警车还没有追上货车
警车达到最大速度后做匀速运动,设再经过△t追赶上货车,则
所以警车发动后要经过t=t2+△t= 12 s才能追上货车
如图所示,一平直的传送带以速度v=2 m/s匀速运行,传送带把A点处的零件运送到B点处,A、B两点之间相距L=10 m,从A点把零件轻轻地放到传送带上,经过时间t=6 s,送到B点,如果提高传送带的运动速率,零件能较快地传送到B点,要让零件用最短的时间从A点传送到B点处,说明并计算传送带的运动速率至少应多大?如果把求得的速率再提高一倍,则零件传送时间为多少?
正确答案
解:零件放在传送带上后,先加速,当速度达到传送带运行速度时,将以此速度匀速运动。设零件加速度为a,则+(t-
)×v=L
即:+(6-
)×2=10,得a=1 m/s2
若传送带运行速度足够大,零件一直加速到B处,则时间最短,设为tmin,则
atmin2=10,tmin=2
s
此时零件速度v=atmin=2 m/s
传送带运行速度应不小于此速度
若把速率再提高一倍,零件的加速度不变,则零件传送仍需2 s
某校课外活动小组自制了一枚质量为3.0kg的实验用火箭。设火箭发射后,始终沿竖直方向运动。火箭在地面点火后升至火箭燃料耗尽之前可认为做初速度为零的匀加速运动,经过4.0s到达离地面40m高处燃料恰好耗尽。忽略火箭受到的空气阻力,g取10m/s2。求:
(1)燃料恰好耗尽时火箭的速度大小;
(2)火箭上升离地面的最大高度;
(3)火箭加速上升时受到的最大推力的大小。
正确答案
解:(1)设燃料恰好耗尽时火箭的速度为v,根据运动学公式
解得m/s=20m/s
(2)火箭燃料耗尽后能够继续上升的高度m=20m
火箭离地的最大高度:H=h+h1=40+20=60m
(3)火箭在飞行中质量不断减小,所以在点火起飞的最初,其推力最大。根据加速度定义及牛顿第二定律=5m/s2
F-mg=ma
F=m(g+a)=3×(10+5)=45N
4×100m接力赛是奥运会上最为激烈的比赛项目,有甲乙两运动员在训练交接棒的过程中发现,甲短距离加速后能保持9m/s的速度跑完全程。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处作了标记,当甲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立即起跑(忽略声音传播的时间及人的反应时间),已知接力区的长度为L=20m,设乙起跑后的运动是匀加速运动,试求:
(1)若s0=13.5m,且乙恰好在速度达到与甲相同时被甲追上,完成交接棒,则在完成交接棒时乙离接力区末端的距离为多大?
(2)若s0=16m,乙的最大速度为8m/s,并能以最大速度跑完全程,要使甲乙能在接力区完成交接棒,则乙在听到口令后加速的加速度最大为多少?
正确答案
解:(1)设经过时间t,甲追上乙,则根据题意有vt-vt/2=13.5m
将v=9m/s代入得到:t=3s
又v=at
解得:a=3m/s2
在追上乙的时候,乙走的距离为s 则:s=at2/2
代入数据得到s=13.5m
所以乙离接力区末端的距离为△s=20m-13.5m=6.5m
(2)由题意可知,乙的加速度越大,在完成交接棒时走过的距离越长。当在接力区的边缘完成交接棒时,乙的加速度最大,设乙的加速度为a2
动的时间t=
乙加速的时间t1=
L=a2t12+v乙(t-t1)
a2=m/s2=2.67m/s2
一辆长为5m的汽车以v1=15m/s的速度行驶,在离铁路与公路交叉点175m处,汽车司机突然发现离交叉点200m处有一列长300m的列车以v2=20m/s的速度行驶过来,为了避免事故的发生,汽车司机应采取什么措施?(不计司机的反应时间,要求具有开放性答案)
正确答案
解:若汽车先于列车通过交叉点,则用时
而
汽车必须加速,设加速度为a1,则
得
若汽车在列车之后通过交叉点,则汽车到达交叉点用时
又
汽车必须减速,而且在交叉点前停下来,设汽车的加速度大小为a2,则
所以汽车司机可以让汽车以m/s2加速通过或以
m/s2减速停下
一辆值勤的警车停在直公路边,当警员发现从他旁边以v=10m/s的速度匀速行驶的货车有违章行为时,决定前去追赶,经t0=2s警车发动起来,以加速度a=2m/s2做匀加速运动,试问:
(1)在警车追上货车之前,两车间的最大距离是多少?
(2)若警车能达到的最大速度是=12m/s,达到最大速度后匀速运动。则警车发动起来后至少要多长的时间才能追上违章的货车?
正确答案
解:(1)在警车追上货车之前,两车速度相等时,两车间的距离最大,设警车发动起来后经时间t′两车速度相等,两车间的距离最大为,则
=5s
=
=45 m
(2)若警车的最大速度是=12m/s,设警车发动起来后加速时间为t1,加速位移为s1,则
6s
80m
所以警车还没追上货车,这以后匀速运动追赶,设再经时间t2追上,则
解得t2=22s
所以警车发动起来后追上货车至少要经历的时间为t=t1+t2=28 s
为研究钢球在液体中运动时所受阻力的阻力常数,让钢球从某一高度竖直下落进入液体中运动,用闪光照相的方法拍摄出钢球在不同时刻的位置,如图所示。已知钢球在液体中运动时所受阻力F=kv2,闪光照相机的闪光频率为f,图中刻度尺的最小分度为s0,钢球质量为m,求阻力常数k的表达式。
正确答案
mg/4s02f2
一列快车正以216km/h的速度在平直的铁轨上行驶时,发现前面1500m处有一货车正以64.8km/h的速度匀速同向行驶,快车立即合上制动器,经120s的刹车时间才能停止,试判断两车是否发生撞车事故。
正确答案
解:快车的速度m/s
货车的速度m/s
快车刹车中的加速度大小为m/s2快车与货车速度相同时,两车没有相碰,则所需时间为
s
这段时间内快车行驶的距离为m
货车行驶的距离为m
而1512m+1500m=3012m<3276m
所以,快车的速度还没有减小到货车的速度,两车便相撞了
乘客在地铁列车中能忍受的最大加速度是1.4m/s2,已知某两个必停站相距2240m,求:
(1)如果列车最大运行速度为28m/s,列车在这两站间的行驶时间至少是多少?
(2)假设没有最大速度限制,列车在两站间行驶的最短时间是多少?
正确答案
解:(1)设列车加速到最大速度所用时间为t1,则有:v=at1,t1==20s
运动的位移为:x1=at21=
×1.4×202m=280m
同理:减速过程所用时间为:t2=t1=20s
减速过程运动的位移为:x2=x1=280m
匀速运行的时间为:t3=s=60s
即两站间运行时间为:t=t1+t2+t3=100s
(2)若没有最大速度限制,列车可只有加速和减速两个过程,且两个过程位移相等,即:
x′=x=1120m
由运动学公式得:x′=at′2
解得:t'=s=40s
t=2t′=80s
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