- 牛顿运动定律
- 共29769题
如图所示,质量M,半径R的光滑半圆槽第一次被固定在光滑水平地面上,质量为m的小球,以某一初速度冲向半圆槽刚好可以到达顶端C.然后放开半圆槽.其可以自由运动,m小球又以同样的初速冲向半圆槽,小球最高可以到达与圆心等高的B点,(g=10m/s2)
试求:
①半圆槽第一次被固定时,小球运动至C点后平抛运动的水平射程X=?
②小球质量与半圆槽质量的比值m/M为多少?
正确答案
①小球刚好可以到达顶端C,说明刚好由重力提供向心力
mg=m
所以到达C点时的速度为v1=
小球由C点做平抛运动
竖直方向上的位移y=2R=gt2
所以运动的时间为t=
水平方向上的位移x=v1t=•
=2R
②半圆槽第一次被固定时,对小球运用动能定理-2mgR=mv12-
mv02
解得v02=5gR
然后放开半圆槽后,m小球又以同样的初速冲向半圆槽,
对m、M系统根据动量守恒定律:
mv0=(m+M)v2
所以v2==
对m、M系统根据动能定理有:
-mgR=(m+M)v22-
mv02
所以-mgR=(m+M)•(
m
m+M
5gR
)2-m•5gR
化简得=
答:①半圆槽第一次被固定时,小球运动至C点后平抛运动的水平射程X=2R.
②小球质量与半圆槽质量的比值为=
.
如图所示,飞行员的质量为m,重力加速度为g,他驾驶飞机在竖直平面内做翻筋斗的圆周运动,当飞机飞到最高点时速度为v1,飞行员对机座的压力恰好为零,则轨道半径R=______.若飞机飞到最低点时速度为v2,飞行员对机座的压力N=______.
正确答案
当飞机飞到最高点时,根据牛顿第二定律得
mg=m
解得 R=
当飞机飞到最低点时,由牛顿第二定律得
FN-mg=m
解得 FN=m(g+)
根据牛顿第三定律得知,飞行员对机座的压力N=m(g+).
故答案为:m;m(g+
).
(20分)如图甲所示,间距为d、垂直于纸面的两平行板P、Q间存在匀强磁场。取垂直于纸面向里为磁场的正方向,磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示。t=0时刻,一质量为m、带电荷量为+q的粒子(不计重力),以初速度由
板左端靠近板面的位置,沿垂直于磁场且平行于板面的方向射入磁场区。当
和
取某些特定值时,可使
时刻入射的粒子经
时间恰能垂直打在
板上(不考虑粒子反弹)。上述
为已知量。
(1)若,求
;
(2)若,求粒子在磁场中运动时加速度的大小;
(3) 若,为使粒子仍能垂直打在
板上,求
。
正确答案
(1)(2)
;(3)
或
试题分析:(1)设粒子做匀速圆周运动的半径,由牛顿第二定律得
①
据题意由几何关系得
②
联立①②式得
③
(2)设粒子做圆周运动的半径为,加速度大小为
,由圆周运动公式得
④
据题意由几何关系得
⑤
联立④⑤式得
⑥
(3)设粒子做圆周运动的半径为,周期为
,由圆周运动公式得
⑦
由牛顿第二定律得
⑧
由题意知,代入⑧式得
⑨
粒子运动轨迹如图所示,、
为圆心,
、
连线与水平方向夹角为
,在每个
内,只有A、B两个位置才有可能垂直击中P板,且均要求
,由题意可知
⑩
设经历完整的个数为
(
,1,2,3......)
若在A点击中P板,据题意由几何关系得
当n=0时,无解
当n=1时联立式得
或(
)
联立式得
当时,不满足
的要求
若在B点击中P板,据题意由几何关系得
当时无解
当时,联立
式得
或(
)
联立式得
当时,不满足
的要求
(16分)两平行金属导轨水平放置,一质量为m=0.2kg的金属棒ab垂直于导轨静止放在紧贴电阻R处,,其他电阻不计。导轨间距为d=0.8m,矩形区域MNPQ内存在有界匀强磁场,场强大小B=0.25T。MN=PQ=x=0.85m,金属棒与两导轨间动摩擦因数都为0.4,电阻R与边界MP的距离s=0.36m。在外力作用下让ab棒由静止开始匀加速运动并穿过磁场向右,加速度a=2m/s2 ,g取10m/s2
(1)求穿过磁场过程中平均电流的大小。
(2)计算自金属棒进入磁场开始计时,在磁场中运动的时间内,外力F随时间t变化关系。
(3)让磁感应强度均匀增加,用导线将a、b端接到一量程合适的电流表上,让ab棒重新由R处向右加速,在金属棒到达MP之前,电流表会有示数吗?简述理由。已知电流表与导轨在同一个平面内。
正确答案
(1) (2)
(3)见解析
试题分析:(1)设金属棒到达MP、NQ的速度分别为,
,
则由,得:
由,得:
由电磁感应定律得:
由闭合电路欧默定律
联立解得:
(2)因为进入磁场后受安培力
(2分)
由牛二定律得 (2分)
又因为 (1分)
则在进磁场后F
代入数据得 (N)其中
( 2分)
(3)可以有电流。只要导线、电表、导体棒组成的回路有磁感线穿过,根据法拉第电磁感应定律,闭合回路磁通量变化,可以产生感应电流。(此时金属棒和电阻R并联成为电路负载) ( 3分)
如图所示,A为位于一定高度处的质量为m的小球,B为位于水平地面上的质量为M的长方形空心盒子,盒子足够长,且M = 2m,盒子与地面间的动摩擦因数=0.2.盒内存在着某种力场,每当小球进入盒内,该力场将同时对小球和盒子施加一个大小为F=Mg、方向分别竖直向上和向下的恒力作用;每当小球离开盒子,该力F同时立即消失.盒子的上表面开有一系列略大于小球的小孔,孔间距满足一定的关系,使得小球进出盒子的过程中始终不与盒子接触.当小球A以v=1m/s的速度从孔1进入盒子的瞬间,盒子B恰以v0=6m/s的速度向右滑行.取重力加速度g=10m/s2,小球恰能顺次从各个小孔进出盒子.试求:
(1)小球A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历的时间;
(2)盒子上至少要开多少个小孔,才能保证小球始终不与盒子接触;
(3)从小球第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中,盒子通过的总路程.
正确答案
(1)T=0.4s (2)11个 (3)5.8m
试题分析:(1)A在盒子内运动时,根据牛顿第二定律有
解得 a = g
A在盒子内运动的时间 A在盒子外运动的时间
A从第一次进入盒子到第二次进入盒子的时间
(2)小球在盒子内运动时,盒子的加速度=4m/s2
小球在盒子外运动时,盒子的加速度
小球运动一个周期盒子减少的速度为
从小球第一次进入盒子到盒子停下,小球运动的周期数为
故要保证小球始终不与盒子相碰,盒子上的小孔数至少为2n+1个,即11个.
(3)小球第一次在盒内运动的过程中,盒子前进的距离为m
小球第一次从盒子出来时,盒子的速度m/s
小球第一次在盒外运动的过程中,盒子前进的距离为 =1m
小球第二次进入盒子时,盒子的速度m/s
小球第二次在盒子内运动的过程中,盒子前进的距离为 m
小球第二次从盒子出来时,盒子的速度 m/s
小球第二次在盒外运动的过程中,盒子前进的距离为 m
…………
分析上述各组数据可知,盒子在每个周期内通过的距离为一等差数列,公差d=0.12m.且当盒子停下时,小球恰要进入盒内,最后0.2s内盒子通过的路程为0.04m.
所以从小球第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中,盒子通过的总路程为
如图所示,A为位于一定高度处的质量为m、带电荷量为+q的小球,B为位于水平地面上的质量为M的用特殊材料制成的长方形空心盒子,且M=2m,盒子与地面间的动摩擦因数=0.2,盒内存在着竖直向上的匀强电场,场强大小E=2mg/q,盒外没有电场.盒子的上表面开有一系列略大于小球的小孔,孔间距满足一定的关系,使得小球进出盒子的过程中始终不与盒子接触.当小球A以1m/s的速度从孔1进入盒子的瞬间,盒子B恰以v1="6" m/s的初速度向右滑行.已知盒子通过电场对小球施加的作用力与小球通过电场对盒子施加的作用力大小相等、方向相反.设盒子足够长,取重力加速度g=10m/s2,小球恰能顺次从各个小孔进出盒子,且不与盒子底部相碰。试求:
(1)小球A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历的时间;
(2)盒子上至少要开多少个小孔,才能保证小球始终不与盒子接触;
(3)从小球第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中,盒子通过的总路程.
正确答案
(1)
(2)11个.
(3)
(1)A在盒子内运动时,
(2分)
由以上两式得 a=g (1分)
A在盒子内运动的时间 A在盒子外运动的时间
(1分)
A从第一次进入盒子到第二次进入盒子的时间 (1分)
(2)小球在盒子内运动时,盒子的加速度 (1分)
小球在盒子外运动时,盒子的加速度 (1分)
小球运动一个周期盒子减少的速度为 (2分)
从小球第一次进入盒子到盒子停下,小球运动的周期数为 (1分)
故要保证小球始终不与盒子相碰,盒子上的小孔数至少为2n+1个,即11个. (1分)
(3)小球第一次在盒内运动的过程中,盒子前进的距离为
(1分)
小球第一次从盒子出来时,盒子的速度 (1分)
小球第一次在盒外运动的过程中,盒子前进的距离为 (1分)
小球第二次进入盒子时,盒子的速度 (1分)
小球第二次在盒子内运动的过程中,盒子前进的距离为 (1分)
小球第二次从盒子出来时,盒子的速度 (1分)
小球第二次在盒外运动的过程中,盒子前进的距离为 (1分)
分析上述各组数据可知,盒子在每个周期内通过的距离为一等差数列,
公差d=0.12m.且当盒子停下时,小球恰要进入盒内,最后0.2s内盒子通过的路程为0.04m.
所以从小球第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中,盒子通过的总路程为
(2分)
质量为2000kg的汽车以20m/s的速率驶过一座圆弧形拱桥,桥顶一段的圆弧半径为100m,则汽车过桥顶时对桥顶的压力为______N;要使汽车通过桥顶时对桥顶的压力为车重的0.9倍,则汽车过桥顶时的速度应为______m/s.(g取10m/s2)
正确答案
以汽车为研究对象,根据牛顿第二定律得
mg-N1=m
得到 N1=mg-m=2000(10-
)N=1.2×104 N.
由牛顿第三定律得知,汽车过桥顶时对桥顶的压力为N1′=N1=1.2×104 N.
要使汽车通过桥顶时对桥顶的压力为车重的0.9倍,即有N2′=0.9mg
则桥顶对汽车的支持力N2=N2′=0.9mg
由mg-N2=m得,v2=10m/s
故答案为:1.2×104;10.
足够长的平行金属导轨MN和PQ表面粗糙,与水平面间的夹角370,间距为1.0m,动摩擦因数为0.25。垂直于导轨平面向上的匀强磁场磁感应强度为4.0T,PM间电阻8.0。质量为2.0kg的金属杆ab垂直导轨放置,其他电阻不计。用恒力沿导轨平面向下拉金属杆ab,由静止开始运动,8s末杆运动刚好达到最大速度为8m/s,这8s内金属杆的位移为48m,(g=10m/s2,cos370=0.8,sin370=0.6)
求:
(1)金属杆速度为4.0m/s时的加速度大小。
(2)整个系统在8s内产生的热量。
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)对金属杆进行受力分析:受有重力、垂直轨道向上的支持力、沿轨道向上的摩擦力、沿轨道向下的恒力F、沿轨道向上的安培力,如图所示。
根据牛顿第二定律得:
根据法拉第电磁感应定律得:
欧姆定律可得:
所以
当时
则
解得:
当时,有
解得:
(2)对整个过程,由功能关系得:
解得:
(15分)无风的情况下,在离地面高为H处,将质量为m的球以速度v0水平抛出,在空气中运动时所受的阻力f=kv,v是球的速度,k是已知的常数,阻力的方向与速度方向相反,并且球在着地前已经竖直向下做匀速运动,重力加速度为g。
(1)小球刚抛出时加速度大小;
(2)求球从抛出到着地过程中克服空气阻力做的功;
(3)若有一个与上述相同的球从同一地点由静止释放,试比较两球落地所需时间和着地时的速度,并简述理由。
正确答案
解:(1)小球刚抛出时受到的合力F=,由牛顿第二定律,F=ma,
解得小球刚抛出时加速度大小a=/m。
(2)球最终竖直向下做匀速直线运动,设此时速度为v,则mg=kv。
设球从抛出到着地过程中克服空气阻力做的功为W,由动能定理有,mgH-W=mv2-mv02,
解得:W= mgH+mv02-。
(3)根据运动的独立性,在竖直方向都是从静止开始的运动,受到的合力均为Fy=mg-kvy,加速度均为ay="g-" kvy /m。故在竖直方向的运动是相同的,运动时间相等,着地时速度都是v=mg/k。
应用牛顿第二定律、动能定理及其相关知识列方程解答。
(8分)某试验小组利用拉力传感器和打点计时器验证牛顿运动定律,实验装置如图。他们将拉力传感器固定在小车上,用不可伸长的细线将其通过一个滑轮与钩码相连,用拉力传感器记录小车受到拉力F的大小;小车后面固定一打点计时器,通过拴在小车上的纸带,可测量小车匀加速运动的速度与加速度。若交流电的频率为10Hz,则根据下图所打纸带记录,小车此次运动经B点时的速度=
,小车的加速度
=
。
正确答案
0.40 …………4分
1.46 …………4分
略
如图所示的升降机中,用OA、OB两根绳子吊一个质量为20kg的重物,若OA与竖直方向的夹角θ=37°OA垂直于OB,且两绳所能承受的最大拉力均为320N,为使绳子不断,升降机竖直向上的加速度最大为多少?
正确答案
以物体为研究对象,作出力图,如图.升降机竖直向上做匀加速运动时,加速度竖直向上,合力一定竖直向上,则两根绳子的拉力的合力方向一定竖直向上.由力图可知,BO绳的拉力大于AO绳的拉力,当B绳的拉力达到最大时,升降机的加速度为最大.
根据牛顿第二定律得,
-mg=mam,
代入解得 am=10m/s2
答:为使绳子不断,升降机竖直向上的加速度最大为10m/s2.
我国第一艘航空母舰“辽宁号”已经投入使用.为使战斗机更容易起飞,“辽宁号”使用了跃飞技术,其甲板可简化为如图所示的模型:AB部分水平,BC部分倾斜,倾角为θ.战机从A点开始滑跑,C点离舰,此过程中发动机的推力和飞机所受甲板和空气阻力的合力大小恒为F,ABC甲板总长度为L,战斗机质量为m,离舰时的速度为vm,不计飞机在B处的机械能损失.求AB部分的长度.
正确答案
在AB段,由牛顿第二定律可得
F=ma1
设B点速度大小为v,根据运动学公式可得
v2=2a1s1
在BC段,根据牛顿第二定律可得
F-mgsinθ=ma2
从B到C,由运动学公式可得
-v2=2a2s2
根据题意:L=s1+s2
联立解得
s1=L-
答:AB部分的长度L-.
质量为m=3kg的木块放在倾角为θ=30°的足够长斜面上,木块可以沿斜面匀速下滑.若用沿斜面向上的力F作用于木块上,使其由静止开始沿斜面向上加速运动,经过t=2s时间物体沿斜面上升4m的距离,求力F的大小?(g取10m/s2)
正确答案
物体匀速下滑时,受重力,摩擦力,支持力,沿斜面方向可得:
f=mgsinθ;
已知物块由静止开始沿斜面向上加速运动,经过t=2s时间物体沿斜面上升4m的距离,由位移时间关系可得:
s=at2,
解得:
a==
m/s2=2m/s2
对物块受力分析,可知其受重力,推力,摩擦力,支持力.
沿斜面方向:
F-mgsinθ-f=ma
解得:
F=2mgsinθ+ma=2×3×10×N+3×2N=36N;
答:力F的大小为36N.
质量为m=1kg的滑块静止在水平地面上O点,如图甲所示,现施一水平向右的恒力F作用于滑块上,经时间t1=0.4s后撤去F.滑块在水平方向运动的v-t图象如图乙所示,g取10m/s2,求:
(1)滑块在水平面上滑行的距离;
(2)滑块与水平面之间的动摩擦因数;
(3)水平恒力F的大小.
正确答案
(1)由图象可知,滑块在水平面上滑行的距离:
s=×1.2×2=1.2m;
(2)由图象可知,滑块的加速度:
a1==
=5m/s2,
a2==
=-2.5m/s2,
由牛顿第二定律得:F-μmg=ma1,
-μmg=ma2,
解得:μ==
=0.25,
F=μmg+ma1=0.25×1×10+1×5=7.5N;
答:(1)滑块在水平面上滑行的距离为1.2m;
(2)滑块与水平面之间的动摩擦因数为0.25;
(3)水平恒力F的大小为7.5N.
用拉力F使一个质量为m的木箱由静止开始在水平冰道上移动了s,拉力F跟木箱前进的方向的夹角为a,木箱与冰道间的动摩擦因素为u,求木箱获得的速度.
正确答案
物体的受力分析如图所示,则N=mg-Fsinα,
物体所受的合力F合=Fcosα-μ(mg-Fsinα),
根据动能定理得,F合s=mv2-0,
解得v=.
答:木箱获得的速度为v=.
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