- 机械能守恒定律
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质量为60 kg的消防队员从一根固定的竖直金属杆上由静止滑下,经2.5 s落地。消防队员受到的竖直向上的摩擦力变化情况如图所示,取g=10 m/s2。在消防队员下滑的过程中:
(1)他向下加速与减速的加速度大小分别多大?
(2)他落地时的速度多大?
(3)他克服摩擦力做的功是多少?
正确答案
解:(1)设该队员先在t1=1 s的时间内以加速度a1匀加速下滑,然后在t2=1.5 s的时间内以加速度a2匀减速下滑
在第1 s内,由牛顿第二定律,得:mg-f1=ma1
得m/s2后1.5 s内由牛顿第二定律得:f2-mg=ma2
得m/s2
(2)他在1 s末时的速度为vm=a1t1=4×1=4 m/s
落地时的速度vt=vm-a2t2=4-2×1.5=1 m/s
(3)该队员在第1 s内下滑的高度h1=
在后1.5 s内下滑的高度h1=
他克服摩擦力做的功为
(或根据动能定理:mg(h1+h2)-Wf=mvt2/2,代入数据解得:Wf=3420 J)
质量m=2.0kg的物体静止在水平面上,物体跟水平面间的动摩擦因数μ=0.2,从t=0时刻起,物体受到一个水平力F的作用而开始运动,前8s内F随时间t变化规律如图所示,g=10m/s2。
(1)在图中坐标系中画出物体前8s内的v-t图像(详写过程);
(2)求t=6s时摩擦力的瞬时功率;
(3)求前8s内摩擦力的平均功率;
(4)求前8s内水平力F所做的功。
正确答案
(1)如图所示
(2)12W
(3)19.375W
(4)155J
如图1所示,质量m=2.0kg的物体静止在水平面上,物体跟水平面间的动摩擦因数μ=0.20.从t=0时刻起,物体受到一个水平力F的作用而开始运动,前8s内F随时间t变化的规律如图2所示.g取10m/s2.
求:
(1)在图3的坐标系中画出物体在前8s内的v-t图象
(2)前8s内物体所受摩擦力的冲量
(3)前8s内水平力F所做的功.
正确答案
(1)在0-4s内:根据牛顿第二定律得:
F-μmg=ma1
解得a1=3m/s2
第4s末物体的速度为v1=at1=12m/s
在4-5s:-(F+μmg)=ma2
解得a1=-7m/s2
第5s末物体的速度为v2=v1+a2t2=12-7×1=5(m/s)
F变为零后:-μmg=ma3
解得a3=-2m/s2
运动时间为t3==
s=2.5s
所以t=7.5s时刻停止.画出物体在前8s内的 v-t 图象如图所示.
(2)前8s内物体所受摩擦力的冲量
I=ft=μmgt=32Ns
(3)由图可得:0-4s内物体的位移s1=×12×4m=24m,
4-5s内物体的位移s2=×(12+5)×1m=8.5 m
前8s内水平力F所做的功为
WF=F1S1-F2S2
解得 WF=155J
答:
(l)画出物体在前8s内的 v-t 图象如图所示;
(2)前8s内物体所受摩擦力的冲量为32Ns;
(3)前8s内水平力 F 所做的功为155J.
质量为m=4Kg的物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.2,今用F=16N的水平恒力使该物体由静止开始在水平面内做匀加速直线运动(g取10m/s2).求:
(1)物体运动的加速度;(2)前4s内力F对物体所做的功.
正确答案
(1)设物体的加速度为a,根据牛顿第二定律得
F-μmg=ma
得到 a=-μg=
-0.2×10(m/s2)=2m/s2
(2)前4s内物体的位移为x=at2=
×2×42m=16m
前4s内F对物体所做的功W=Fx=16×16J=256J.
答:(1)物体运动的加速度是2m/s2;(2)前4s内力F对物体所做的功是256J.
一辆质量为5×103kg的汽车,额定功率为60kW,现让汽车保持60kW的恒定功率在水平路面上从静止开始运动,运动中汽车所受阻力恒为车重的0.1倍,求:
(1)启动后0.5s内牵引力做的功;
(2)汽车的加速度为1m/s2时汽车的速度;
(3)汽车的速度为10m/s时汽车的加速度;
(4)汽车行驶能达到的最大速度(g=10m/s2)
正确答案
(1)由于汽车以恒定功率行驶,所以牵引力功为W=Pt=60kW×0.5s=30000J.
所以启动后0.5s内牵引力做的功为30000J.
(2)根据牛顿第二定律得:F-f=ma ①
汽车功率恒定,由P=Fv得:v= ②
联立①②带入数据得v=6m/s.
故汽车的加速度为1m/s2时汽车的速度为6m/s.
(3)汽车恒定功率形式,由由P=Fv得:F= ③
由牛顿第二定律得:F-f=ma ④
f=0.1mg ⑤
联立③④⑤得a=0.2 m/s2
故汽车的速度为10m/s时汽车的加速度为0.2 m/s2.
(4)当汽车速度最大时,牵引力等于阻力,F=f
此时:vm==12m/s
故汽车行驶能达到的最大速度为12m/s.
如图所示,水平面上放有质量均为m=1 kg的物块A和B,A、B与地面的动摩擦因数分别为μ1=0.4和μ2=0.1,相距l=0.75 m。现给物块A一初速度使之向B运动,与此同时给物块B一个F=3 N水平向右的力由静止开始运动,经过一段时间A恰好追上B。g=10 m/s2。求:
(1)物块B运动的加速度大小;
(2)物块A初速度大小;
(3)从开始到物块A追上物块B的过程中,力F对物块B所做的功。
正确答案
(1)2 m/s2
(2)3 m/s
(3)0.75 J
如图所示,在光滑的水平面上有一质量为M的平木板正以速度v向右运动。现把一质量为m的木块无初速地放到平木板的右端,由于木块与平木板间摩擦力的作用,平木板的速度将要发生变化。为使平木板保持原有的速度不变,必须及时对平木板施加一向右的水平恒力F。当水平恒力作用一段时间后把它撤去时,木块恰能随平木板一起以速度v共同向右运动。求在上述过程中,水平恒力对平木板做的功。
正确答案
解:设木块和平木板间的动摩擦因数为,当木块无初速放上木板后,由于相对滑动,使木板受到向左的摩擦力,要使木板能保持匀速不变,水平恒力F的大小应满足:F=μmg
而木块在滑动摩擦力的作用下,作匀加速运动,设历时t将与木板速度相同。则
又
所以:
在这段时间内,木板的位移:
所以,水平恒力对木板做的功为:。
如图甲所示,质量m=2.0kg的物体静止在水平面上,物体跟水平面间的动摩擦因数μ=0.20。从t=0时刻起,物体受到一个水平力F的作用而开始运动,前8s内F随时间t变化的规律如图乙所示。g取10m/s2。求:
(1)在图丙的坐标系中画出物体在前8s内的v-t图象;
(2)前8s内物体所受摩擦力的冲量;
(3)前8s内水平力F所做的功。
正确答案
(1)“略”
(2)32N·S
(3)155J
如图所示,质量为1 kg的物体静置于水平面上,现对物体施以水平方向的恒定拉力,1s末将拉力撤去,物体运动的v-t图象如图所示,试求:
(1)滑动摩擦力的大小;
(2)拉力的大小;
(3)在0-3 s内滑动摩擦力做的功。
正确答案
解:(1)由图可知,撤去拉力后1~3 s内的加速度大小
摩擦力f=ma2=6 N
(2)0-1 s内的加速度大小
F-f=ma1
F=ma1+f=18 N
(3)3 s内的位移
摩擦力做功Wf=fs= -108 J
如图所示,在倾角为θ的足够长的斜面上,有一质量为M的长木板,开始时长木板上有一质量为m的小铁块(视为质点)以相对地面的初速度v0从长木板的中点沿长木板向下滑动,同时长木板在沿斜面向上的拉力作用下始终做速度为v的匀速运动(v>v0),小铁块最终跟长木板一起向上做匀速运动。已知小铁 块与木板、木板与斜面间的动摩擦因数均为μ(μ>tanθ),试问:
(1)小铁块在长木板上滑行时的加速度为多大?
(2)长木板至少为多长?
(3)小铁块从中点开始运动到最终匀速运动的过程中,拉力做了多少功?
正确答案
解:(1)以小铁块为研究对象,受力情况如图示
据牛顿第二定律有f-mgsinθ=ma ①
FN-mgcosθ=0 ②
又f=μFN ③
所以a=g(μcosθ-sinθ),方向沿斜面向上
(2)设木板长度为l,据题意知:当铁块相对木板滑行1/2l,两者以共同速度一起向上匀速运动时,木板最短
对铁块:v2-(-v0)2=2as1 ④
对木板:s2=vt ⑤
s2-s1=1/2l ⑥
又
联立④⑤⑥⑦代入(1)中a得
即要满足题意长木板至少长
(3)因为长木板一直匀速运动,所以据平衡条件得
F=Mgsinθ+μ(M+m)gcosθ+μmgcosθ,即F=Mgsinθ+μ(M+2m)gcosθ
又由(2)知
据W=Fs得
如图所示,水平地面上放有质量均为=1 kg的物块A和B,两者之间的距离为
=0.75 m。A、B与地面的动摩擦因数分别为
=0.4、
=0.1。现使A获得初速度
向B运动,同时对B施加一个方向水平向右的力
=3 N,使B由静止开始运动。经过一段时间,A恰好追上B。g取10 m/s2。求:
(1)B运动加速度的大小;
(2)A初速度的大小;
(3)从开始运动到A追上B的过程中,力F对B所做的功。
正确答案
解:(1)对B,由牛顿第二定律得:
求得:
(2)设A经过t时间追上B,对A,由牛顿第二定律得:
恰好追上的条件为:
代入数据解得:,
(3)
质量为m=1.0kg的小滑块(可视为质点)放在质量为M=3.0kg的长木板的右端,木板上表面光滑,木板与地面之间的动摩擦因数为,木板长L=1.0m,开始时两者都处于静止状态,现对木板施加水平向右的恒力F=12N,如图所示,为使小滑块不掉下木板,试求:(g取10m/s2)
(1)用水平恒力F作用的最长时间;
(2)水平恒力F做功的最大值。
正确答案
解:(1)撤力前后木板先加速后减速,设加速过程的位移为x1,加速度为a1,加速运动的时间为t1;减速过程的位移为x2,加速度为a2,减速运动的时间为t2。牛顿第二定律得:
撤力前:
解得
撤力后:
解得
为使小滑板不从木板上掉下,应满足x1+x2≤L
又a1t1=a2t2
由以上各式可解得t1≤1s,即作用的最长时间为1s
(2)木板在拉力F作用下的最大位移
所以F做功的最大值
如图所示,光滑水平面上有一块木板,质量M=2.0 kg,长度L=1.0m。在木板的最右端有一个小滑块(可视为质点),质量m=1.0 kg。小滑块与木板之间的动摩擦因数μ=0.2。开始时它们都处于静止状态。某时刻起对小滑块施加一个F=5.0 N水平向左的恒力,此后小滑块将相对木板滑动。取g =10 m/s2。求:
(1)小滑块从木板右端运动到左端所用的时间t;
(2)小滑块从木板右端运动到左端的过程中,恒力F对小滑块所做的功W;
(3)如果想缩短小滑块从木板右端运动到左端所用的时间t,只改变木板的质量M,请你通过计算,判断木板的质量M应该增大还是减小?
正确答案
解:(1)小滑块受到水平向左的恒力F和水平向右的滑动摩擦力作用,向左做匀加速直线运动,所受滑动摩擦力f = μmg = 0.2×1.0×10 = 2.0N
根据牛顿第二定律,小滑块的加速度m/s2木板所受向左的滑动摩擦力
,向左做匀加速直线运动
根据牛顿第二定律,木板的加速度m/s2在小滑块从木板右端运动到左端所用的时间为t内
小滑块的位移
木板的位移
由几何关系可知L = x1-x2
解得t = 1.0s
(2)小滑块的位移1.5m
恒力F对小滑块所做的功W = Fx1 = 5.0×1.5 = 7.5J
(3)由于x1-x2 = L,即
将(1)中各式代入,有
若只改变M,则M增加时,t减小
在倾角为θ的光滑斜面上端系有一劲度系数为k的轻质弹簧,弹簧下端连一个质量为m的小球,球被一垂直于斜面的挡板A挡住,此时弹簧没有形变,若挡板A以加速度a(a<gsinθ)沿斜面向下匀加速运动,问:
(1)小球向下运动多少距离时速度最大?
(2)从开始运动到小球与挡板分离时所经历的时间为多少?
(3)从开始运动到小球与挡板分离时外力对小球做的总功为多少?
正确答案
(1)
(2)
(3)
如图所示,绷紧的传送带与水平面的夹角θ=30°,皮带在电动机的带动下,始终保持v0=5m/s的速率运行方向斜向上。现把一质量m=10kg的工件(可看为质点)轻轻放在皮带的底端,工件被传送到皮带的顶端h=0.625m的高处,取g=10m/s2,已知动摩擦因数为。求
(1)工件从低端运动到顶端的时间;
(2)摩擦力对物体所做的功;
(3)摩擦力对传送带所做的功;
(4)工件从皮带的底端上到顶端的过程产生的热量。
正确答案
解:对工件据牛顿第二定律得:μmgcosθ-mgsinθ=ma
得a=2.5 m/s2
工件速度由0 m/s达到v0所用的时间t=v0/a=2s
在这段时间内的位移s=1/2at2=5m
传送带底端到顶端的距离s'=h/sin30°=1.25m
由s>s',可知工件从底端到顶端一直做加速运动
设工件从底端到顶端的时间为t'
由运动学公式得,解得
摩擦力对物体所做的功
摩擦力对传送带所做的功
传送带在t'时间内的位移
因此
工件从皮带的底端上到顶端的过程产生的热量
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