- 牛顿运动定律
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有一质量2kg小球串在长0.5m的轻杆顶部,轻杆与水平方向成θ=37°角,静止释放小球,经过0.5s小球到达轻杆底端,试求:
(1)小球下滑的加速度和小球与轻杆之间的动摩擦因数;
(2)如果在竖直平面内给小球施加一个垂直于轻杆方向的恒力,使小球释放后加速度为2m/s2,此恒力大小为多少?
正确答案
(1)小球沿杆做初速度为零的匀加速直线运动,所以有:s=at2,
得:a==
=4m/s2
另据牛顿第二运动定律有:mgsinθ-μmgcosθ=ma,
得:a=gsinθ-μgcosθ,
代入数据可解得:μ=0.25
(2)若F垂直杆向下,则有:
mgsinθ-μ(F+mgcosθ)=ma
代入数据得:F=16N
若F垂直杆向上,有:
mgsinθ-μ(F-mgcosθ)=ma
同理代入数据得:F=48N.
答:(1)小球下滑的加速度和小球与轻杆之间的动摩擦因数为0.25;
(2)如果对物体施加垂直与杆子向下的力,则力大小为16N,若对物体施加垂直与杆子向上的力,则力的大小为48N.
机车拉着拖车沿着水平轨道行驶,拖车质量为4.0t,行驶时受到阻力为2.0×103N,在速度为72km/h时拖车脱离了机车.求脱离后拖车运动的加速度和滑行多远才停止.
正确答案
以拖车为研究对象,m=4.0×103kg,v0=72km/h=20m/s,F合=-2.0×103N,vt=0
拖车在脱离后的加速度为:a==-
=-0.5m/s2
设滑行距离为s:
根据速度位移公式得:vt2-v02=2as
解得:s==
=400m
答:脱离后拖车运动的加速度为-0.5m/s2,滑行400m才停止.
杂技演员在进行“顶杆”表演时,用的是一根质量可忽略不计的长竹竿,质量为30kg的演员自杆顶由静止开始下滑,滑到杆底时速度正好为零.已知竹竿底部与下面顶杆人肩部之间有一传感器,传感器显示顶杆人肩部的受力情况如图所示,取g=10m/s2.求:
(1)杆上的人下滑过程中的最大速度;
(2)竹竿的长度.
正确答案
(1)以人为研究对象,人加速下滑过程中受重力mg和杆对人的作用力F1,由题图可知,人加速下滑过程中杆对人的作用力F1为180N.
由牛顿第二定律得
mg-F1=ma,
则a=4m/s2.
1s末人的速度达到最大,则v=at1=4m/s.
(2)加速下降时位移为:s1=at12=2m.
减速下降时,由动能定理得(mg-F2)s2=0-mv2,
代入数据解得s2=4m,
杆的长度s=s1+s2=6m.
答:(1)杆上的人下滑过程中的最大速度为4m/s;
(2)竹竿的长度为6m.
如图所示,轻绳通过定滑轮拉动物体,使其在水平面上运动.若拉绳的速度为v0,当绳与水平方向夹角为θ时,物体的速度v为______.若此时绳上的拉力大小为F,物体的质量为m,忽略地面的摩擦力,那么,此时物体的加速度为______.
正确答案
(1)由题意,物体在绳子的作用下沿水平方向运动,可将其运动分解成沿绳子收缩的方向与转动的方向.则由三角函数可得:
v=
(2)对物体受到,重力、支持力、绳子的拉力与摩擦力,由牛顿第二定律可得:
ma=F-μFN=F-μ(mg-Fsinθ)
联立解得:a=
故答案为:;
钱江晚报2013-09-27报道,八旬老伯屋顶种南瓜坠落砸车,车主索赔三万八.5楼楼顶掉下的老南瓜,将凯美瑞车顶砸出深15厘米大坑.若5楼楼顶南瓜离车顶高度15米,南瓜质量1.5千克,南瓜下落作自由落体运动,砸车后匀减速到零.(取g=10m/s2,不计空气阻力)求:
(1)南瓜砸车瞬间的速度大小;
(2)南瓜砸车过程汽车车顶受到的平均作用力大小.
正确答案
(1)南瓜自由下落15m砸车的速度:
v==
=
m/s=10
m/s
(2)南瓜砸车后匀减速到零的加速度大小为:
a==
=1000m/s2
对南瓜,由牛顿第二定律:F-mg=ma
南瓜受到的平均作用力大小为:
F=m(g+a)=1.5×(10+1000)=1515N
根据牛顿第三定律,南瓜砸车过程汽车车顶受到的平均作用力大小是1515N.
答:(1)南瓜砸车瞬间的速度大小10m/s;
(2)南瓜砸车过程汽车车顶受到的平均作用力大小1515N.
物体质量m=6kg,在水平地面上受到与水平面成37°角斜向上的拉力F=20N作用,物体以10m/s的速度作匀速直线运动,(g=10N/kg,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:
(1)物体与水平面的动摩擦因数μ
(2)F撤去后物体还能运动多远?
正确答案
(1)物体做匀速运动,受拉力、重力、支持力和滑动摩擦力,受力平衡,则有:
水平方向:Fcos37°-f=0
竖直方向:N+Fsin37°-mg=0
其中:f=μN
联立解得:
μ==
=
;
(2)撤去F后物体在摩擦力作用下做匀减速直线运动,根据牛顿第二定律得:
μmg=ma
解得:
a=μg=m/s2
根据匀减速直线运动位移速度公式得:
v2=2ax
解得:x==
=15m;
答:(1)物体与水平面的动摩擦因数μ为;
(2)F撤去后物体还能运动15m.
如图所示,航空母舰上的水平起飞跑道长度L=160m.一架质量为m=2.0×104kg的飞机从跑道的始端开始,在大小恒为F=1.2×105N的动力作用下,飞机做匀加速直线运动,在运动过程中飞机受到的平均阻力大小为Ff=2×104N.飞机可视为质点,取g=10m/s2.求:
(1)飞机在水平跑道运动的加速度大小;
(2)若航空母舰静止不动,飞机加速到跑道末端时速度大小;
(3)若航空母舰沿飞机起飞的方向以10m/s匀速运动,飞机从始端启动到跑道末端离开.这段时间内航空母舰对地位移大小.
正确答案
(1)飞机在水平跑道上运动时,水平方向受到推力与阻力作用,设加速度大小为a,
由牛顿第二定律可得F合=F-Ff=ma,
代入数据得a1=5.0m/s2 .
(2)由运动学公式可知v2=2aL,
代入数据得飞机到达倾斜跑道末端时的速度大小v=40m/s.
(3)对于飞机x1=v0t+at2,
对于航空母舰有x2=v0t,
由几何关系:x1-x2=L
即有at2=L,
代入数据解得t=8s.
飞机离开航空母舰时,航空母舰的对地位移大小x2=v0t=80m.
答:(1)飞机在水平跑道运动的加速度大小为5.0 m/s2;
(2)若航空母舰静止不动,飞机加速到跑道末端时速度大小为40m/s.
(3)这段时间内航空母舰对地位移大小为80m.
一质量M=100kg的平板小车停在光滑水平路面上,车身平板离地面高度h=1.25m.一质量m=50kg的小物块置于车的平板上且距车尾s=1m.已知物块与平板间的动摩擦因数μ=0.2.现对车头施加一大小为500N的水平恒力F作用,一段时间后,物体从车尾滑落并掉至地面上.求:(取g=10m/s2)
(1)物块在小车上时,物块和小车的加速度大小分别为多少?
(2)物块离开小车时,物块和小车的速度大小分别为多少?
(3)物块落地时和小车的水平距离为多少?
正确答案
(1)设物块与车板间的摩擦力为f,则有
F-f=M a1
f=μmg
解得:a1=4 m/s2
设车启动至物块离开车板经历的时间为t1,物块的加速度为a2,则
f=ma2
解得:a2=2 m/s2(2)滑块与平板小车相对滑动过程,有:
a1t12-
a2t12=S
解得:t1=1 s
物块离开车板时刻,车和物块的速度分别
v1=a1t1=4m/s
v2=a2t1=2m/s
(3)物块离车板后作平抛运动,所经历的时间为t2,走过的水平距离为s2,则
s2=vt2
h=gt22
解之得:t2=0.5s s2=1m
在这段时间内车的加速度 a3==5 m/s2
车运动的距离s1=v1t2+a3t22=2.625m
s=s1-s2=1.625 m
答:(1)物块滑落前,物块的加速度大小为2 m/s2,平板车的加速度的大小为4 m/s2;
(2)物块离开平板车时,车的速度v1为4m/s,物块的速度v2的大小为2m/s;
(3)物块落地点到车尾的水平距离s为1.625 m.
如图所示,质量为m=4kg的物体放在粗糙的水平面上,物体与水平面间的动摩擦因数为μ=0.2,物体在方向与水平面成α=37°斜向下、大小为20N的推力F作用下,从静止开始运动,sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2.若5s末撤去F,求:
(1)5s末物体的速度大小;
(2)前8s内物体通过的位移大小.
正确答案
(1)物体受力如图所示,据牛顿第二定律有
竖直方向上 N-mg-Fsinα=0
水平方向上 Fcosα-f=ma
又 f=μN
解得 a==1.4m/s2
则5s末的速度大小υ5=at1=1.4×5m/s=7.0m/s
(2)前5s内物体的位移s1=at12=17.5m
撤去力F后,据牛顿第二定律有-f′=ma′
N′-mg=0
又f′=μN′
解得a′=-μg=-2m/s2
由于t止=-=-
s=3.5s>t2=(8-5)s=3s
故s2=υ5t2+a′t22=12m
则前8s内物体的位移大小s=s1+s2=29.5m
答:(1)5s末物体的速度大小为7m/s.
(2)前8s内物体通过的位移大小为29.5m.
如图所示,水平传送带以v=5m/s的恒定速度运动,传送带长AB=7.5m,今在其左端将一质量为m=1kg的工件轻轻放在上面,工件被带传送到右端,已知工件与传送带间的动摩擦因数μ=0.5,(g=10m/s2)试求:
(1)工件经过多长时间由传送带左端运动到右端
(2)工件在传送带上相对滑动的长度.
正确答案
(1)物体运动的加速度为a,由牛顿第二定律得μmg=ma
工件达到与皮带共同速度所用时间为 t1==1s
在此时间内工件对地位移 x1=at2
因2.5m<7.5m,所以工件随皮带一起匀速运动,到B点又用时t2
则:x-x1=vt2
所以 t2=1s
工件在带上运动的总时间:t=t1+t2=2s
(2)相对滑动过程传送带对地位移 x2=vt1
相对滑动长度△x=x2-x1=2.5m
答:(1)工件由传送带左端运动到右端的时间是2s;
(2)工件在传送带上相对滑动的长度是2.5m.
(16分) 一滑雪运动员以滑雪板和滑雪杖为工具在平直雪道上进行滑雪训练。如图所示,某次训练中,他站在雪道上第一次利用滑雪杖对雪面的作用获得水平推力F=60N而向前滑行,其作用时间为t1=1s,撤除水平推力F后经过t2=2s,他第二次利用滑雪杖对雪面的作用获得同样的水平推力且其作用时间仍为1s。已知该运动员连同装备的总质量为m=50kg,在整个运动过程中受到的滑动摩擦力大小恒为f=10N,求该运动员(可视为质点)第二次撤除水平推力后滑行的最大距离。
正确答案
s=6.4m
运动员站在雪道上第一次利用滑雪杖对雪面作用时,
加速度为 2分
t1=1s时的速度为 2分
o*m第一次撤除水平推力F后,加速度为 2分
撤除水平推力F后经过t2=2s,速度为 2分
第二次刚撤除水平推力F时,速度为 2分
此后在水平方向仅受摩擦力作用做匀减速运动,滑行的最大距离为 2分
解得 s="6.4m " 4分
如图所示,桌上有质量为M=1kg的板,板上放一质量为m=2kg的物体,物体和板之间、板和桌面之间动摩擦因数均为μ=0.25,要将板从物体下抽出,水平力F至少为多大?
正确答案
将木板抽出时,物体m向右加速,加速度为:a1=μg=0.25×10=2.5 m/s2
由牛顿第二定律,木板的加速度:a2=
为了能抽出木板必须有:a1<a2
联立以上公式,代入数据解得:F>15N
答:要将板从物体下抽出,水平力F至少为15N.
如图位于竖直平面上半径为R的圆弧光滑轨道AB,A点距离地面高度为H,质量为m的小球从A点由静止释放,通过B点对轨道的压力为3mg,最后落在地面C处,不计空气阻力,求:
(1)小球通过B点的速度
(2)小球落地点C与B点的水平距离x.
正确答案
(1)在B点对小球由牛顿第二定律得:N-mg=m…①
由牛顿第三定律得:N=N′=3mg…②
解得:v=
(2)小球从B至C做平抛运动:
水平方向:x=vt…③
竖直方向:H-R=gt2…④
解得:x=2
答:(1)小球通过B点的速度为;
(2)小球落地点C与B点的水平距离x为2.
质量为m=4kg的物体被一斜向上的恒力F=70N推着沿水平天花板向右加速运动,如图,力F与水平面夹角为θ=53°(sin53°=0.8,cos53°=0.6).已知此物体受到的合力方向水平向右,大小为34N.取g=10N/kg.
(1)画出物体受到的所有力,每个力都标好字母;
(2)求物体与天花板间的滑动摩擦力f和动摩擦因数μ各等于多少?
正确答案
(1)物体受重力,推力,天花板的支持力(竖直向下),摩擦力(水平向左),如图
(2)已知合力为34N,物体竖直方向合力为零,故其合力等于水平合力:
F合=Fcosθ-f
34=70×0.6-f
解得:f=8N
竖直方向有:
N+mg=Fsinθ
N=Fsinθ-mg=70×0.8-4×10=16N
故摩擦因数为:μ==
=0.5
答:(1)受力如图
(2)物体与天花板间的滑动摩擦力f=8N,动摩擦因数μ=0.5
如图所示,物体A通过定滑轮与动滑轮相连,物体B和物体C挂在动滑轮上,使系统保持静止状态,现在同时释放三个物体,发现物体A保持静止不动.已知物体A的质量mA=6kg,物体B的质量mB=6kg,物体C的质量为多大?(重力加速度g取10m/s2)
正确答案
因为释放后A静止不动,根据平衡条件可知跨过定滑轮的绳上的拉力为F1=60N.
因为动滑轮保持静止,由平衡条件可得,跨过动滑轮的绳上的拉力为F2=30N.
以物体B为研究对象,设其加速度大小为a,由牛顿第二定律得,mBg-F2=mBa①.
以物体C为研究对象,其加速度大小仍为a,由牛顿第二定律得,F2-mCg=mCa②.
解①②两式可得mC=2kg.
答:物体C的质量为2kg.
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