- 牛顿运动定律
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一列从浦东国际机场开往龙阳路的磁悬浮列车长53.98m,列车运行时的总质量约为200吨,列车启动后的4分钟即可达到430km/h的运行速度.请根据以上资料,求:
(1)如列车启动后做匀加速直线运动,则它的加速度约为多大?
(2)若列车所受的平均阻力为车重的0.001倍,则列车运行时所受的牵引力是多大?
正确答案
(1)430km/h≈120m/s
列车的加速度a==
m/s2=0.5m/s2.
(2)根据牛顿第二定律得,F-f=ma.
解得F=f+ma=0.001×200000×10+200000×0.5=1.02×105N.
答:(1)它的加速度约为0.5m/s2
(2)列车运行时所受的牵引力是1.02×105N.
如图所示,绷紧的传送带与水平而的夹角θ=30°,皮带在电动机的带动下,始终保持v=2m/s的速率运行.现把m=10kg的工件(可看作质点)轻轻放在皮带的底端,经时间1.9s,工件被传送到h=1.5m的高处,取g=10m/s2.求工件与皮带间的动摩擦因数.
正确答案
设工作上升1.5m的过程中,匀加速运动时间为t1,加速位移为s1,加速度为a1,匀速运动时间为(t-t1),位移为(s-s1),则
s1=at12;
v=at1;
s-s1=v(t-t1)
又s=
联立以上各式解得 a=2.5m/s2
由牛顿第二定律得 μmgcos30°-mgsin30°=ma
解得 μ=
答:工件与皮带间的动摩擦因数为.
一物体由静止开始做匀加速直线运动,运动位移为4m时立即改做匀减速直线运动直至静止,若物体运动的总位移为10m,全过程所用的时间为10s,求:
(1)物体在加速阶段加速度的大小;
(2)物体在减速阶段加速度的大小;
(3)物体运动的最大速度.
正确答案
设运物体运动的最大速度为v,加速运动时间为t1,由题意有:物体加速位移为x1=4m,减速位移为x2=6m,减速时间为t2=10-t1
根据匀变速直线运动的平均速度关系有:=
=
有:
匀加速运动过程:t1=4m ①
匀减速运动过程:t2=6m ②
由①②代入t2=10-t1可得:v=2m/s,t1=4s,t2=6s
所以加速时的加速度大小为:a1==
m/s2=0.5m/s2
减速时的加速度为:a2==
m/s2=-0.33m/s2负号表示加速度方向与速度方向相反,
故减速阶段的加速度大小为a2=0.33m/s2
答:(1)物体在加速阶段加速度的大小为0.5m/s2;
(2)物体在减速阶段加速度的大小为a2=0.33m/s2;
(3)物体运动的最大速度为2m/s.
如图所示,半径为R的环形塑料管竖直放置,AB为该环的水平直径,且管的内径远小于环的半径,环的AB及以下部分处于水平向左的匀强电场中,管的内壁光滑.现将一质量为m,带电荷量为+q的小球从管中A点由静止释放,已知qE=mg.求:
(1)小球释放后,第一次经过最低点D时的速度和对管壁的压力;
(2)小球释放后,第一次经过最高点C时管壁对小球的作用力.
正确答案
(1)小球从A至D点过程,由动能定理得:
mgR+qER=mv12
又:qE=mg
解得:v1=2
在D点,由牛顿第二定律得:
FN-mg=m
解得:FN=5mg
由牛顿第三定律得:
FN=FN′
所以小球经过最低点D时对管壁的压力为5mg,方向向下.
(2)小球第一次经过C点时,由动能定理得:
-mgR+qE•2R=mv22
设在C点管壁对小球的作用力方向向下:
mg+FC=m
解得:FC=mg,FC的方向向下
答:
(1)小球释放后,第一次经过最低点D时的速度为2,对管壁的压力大小为5mg,方向向下.
(2)第一次经过最高点C时管壁对小球的作用力大小为mg,方向向下.
(15分)在游乐节目中,选手需要借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上,小明和小阳观看后对此进行了讨论。如图所示,他们将选手简化为质量m=60kg的质点, 选手抓住绳由静止开始摆动,此时绳与竖直方向夹角=,绳的悬挂点O距水面的高度为H=3m.不考虑空气阻力和绳的质量,浮台露出水面的高度不计,水足够深。取重力加速度
,
,
(1)求选手摆到最低点时对绳拉力的大小F;
(2)若绳长l="2m," 选手摆到最高点时松手落入手中。设水对选手的平均浮力,平均阻力
,求选手落入水中的深度
;
(3)若选手摆到最低点时松手, 小明认为绳越长,在浮台上的落点距岸边越远;小阳认为绳越短,落点距岸边越远,请通过推算说明你的观点。
正确答案
(1)F=1080N (2)1.2m(3)两人的看法均不正确,当绳长越接近1.5m时,落点距岸边越远。
试题分析:(1)小球下摆过程机械能守恒 ①
在最低点应用牛顿第二定律得: F′-mg=m
解得 F′=(3-2cos)mg
由牛顿第三定律得人对绳的拉力 F=F′
则 F=1080N
(2)对开始下落到水中最低点应用动能定理得: mg(H-lcos+d)-(f1+f2)d=0
代人数据解得: d=1.2m
(3)选手从最低点开始做平抛运动,水平方向有: x=vt
竖直方向有:H-=
还有
联立解得:
由数学知识得当时,x有最大值,因此两人的看法均不正确,当绳长越接近1.5m时,落点距岸边越远。
(12分)质量分别为m1、m2的两木块重叠后放在光滑水平面上,如图所示,m1、m2间的动摩擦因数为μ(认为最大静摩擦力与滑动摩擦力相等),现在m2上施加随时间t增大的力F=kt,式中k是常数。
⑴写出木块m1、m2的加速度a1、a2随时间t变化的关系式;
⑵在给定坐标系内绘出a1、a2随时间t变化的图线,图线上若有转折点,请在坐标轴上标注出该点对应的坐标值。
正确答案
⑴当0≤t<时,a1=a2=
;当t≥
时,a1=
,a2=
-μg;⑵图略,见解析。
试题分析:⑴由于所施加的外力F=kt,因此开始时,F较小,两木块将一起运动,设整体运动的加速度为a,根据牛顿第二定律有:F=(m1+m2)a,所以解得:a1=a2=a=
从装置图中可以看出,它们一起运动的最大加速度取决于两者之间的最大摩擦力,有:m1a1<μm2g
联立以上两式解得:t<
当t≥时,对m1,根据牛顿第二定律有:μm2g=m1a1,解得:a1=
对m2,根据牛顿第二定律有:kt-μm2g=m2a2,解得:a2=-μg
即a1、a2随时间t变化的关系式为:当0≤t<时,a1=a2=
当t≥时,a1=
,a2=
-μg
所绘a1、a2随时间t变化的关系图线如下图所示。
质量均为m的三个带电小球A、B、C放置在光滑绝缘的水平面上,相邻球间的距离均为L,A球带电量qA=+10q;B球带电量qB=+q.若在C球上加一个水平向右的恒力F,如图所示,要使三球能始终保持L的间距向右运动,则:
(1)C球带电性质是什么?
(2)外力F为多大?
正确答案
(1)C球带负电荷;(2)70k
试题分析:(1)由于A、B两球都带正电,它们互相排斥,C球必须对A、B都吸引,才能保证系统向右加速运动,故C球带负电荷.
(2)以三球为整体,设系统加速度为a,则F=3ma ①
隔离A、B,由牛顿第二定律可知:
对A:-
=ma ②
对B:+
=ma ③
联立①、②、③得:F=70k.
一平板车,质量M=100kg,停在水平路面上,车身的平板离地面的高度h=1.25m,一质量m=50kg的物块置于车的平板上,它到车尾端的距离b=1.00m,与车板间的动摩擦因数μ=0.20.如图所示.今对平板车施一水平方向的恒力使车向前行驶,结果物块从车板上滑落.物块刚离开车板的时刻,车向前行驶的距离s0=2.0m,求物块落地时,落地点到车尾的水平距离s.不计路面与平板车间以及轮轴之间的摩擦,取g=10m/s2.
正确答案
(1)以m为研究对象进行分析,m在水平方向只受一个摩擦力f的作用,f=μmg,
根据牛顿第二定律知f=ma1
a1=μg=0.20×10m/s2=2m/s2
如图,
m从A点运动到B点,做匀加速直线运动,sAB=s0-b=1.00m,
运动到B点的速度υB为:
υB==
m/s=2m/s
物块在平板车上运动时间为t1==
s=1s,在相同时间里平板车向前行驶的距离s0=2.0m,则
s0=
1
2
a2t12,所以平板车的加速度a2==
=4m/s2
此时平板车的速度为 v2=a2t1=4×1=4m/s
(2)m从B处滑落时,以υB为初速度做平抛运动,落到C的水平距离为s1,下落时间为t2,
则 h=gt22
t2==
=0.5s
s1=vBt2=2×0.5m=1.0 m
对平板车M,在m未滑落之前,水平方向受二力作用,即F和物块对平板车的摩擦力f,二者方向相反,平板车加速度为a2,由牛顿第二定律得:F-f=Ma2
则有:F=Ma2+f=(100×4+0.2×50×10)N=500N
当m从平板车的B点滑落以后,平板车水平方向只受F作用,而做加速度为
a3的匀加速运动,由牛顿第二定律得:F=Ma3 即a3==5m/s2
在m从B滑落到C点的时间t=0.5s内,M运动距离s2为s2=v2t+
1
2
a3t2=2.625m
物块落地时,落地点到车尾的水平距离s为
s=s2-s1=(2.625-1)m=1.625m
答:物块落地时,落地点到车尾的水平距离s为1.625m.
如图所示,木槽A质量为m,置于水平桌面上,木槽上底面光滑,下底面与桌面间的动摩擦因数为μ,槽内放有两个滑块B和C(两滑块都看作质点),B,C的质量分别m和2m,现用这两个滑块将很短的轻质弹簧压紧(两滑块与弹簧均不连接,弹簧长度忽略不计),此时B到木槽左端、C到木槽右端的距离均为L,弹簧的弹性势能为EP=μmgL.现同时释放B、C两滑块,并假定滑块与木槽的竖直内壁碰撞后不再分离,且碰撞时间极短求:
(1)滑块与槽壁第一次碰撞后的共同速度;
(2)滑块与槽壁第二次碰撞后的共同速度;
(3)整个运动过程中,木槽与桌面因摩擦产生的热量.
正确答案
(1)释放后弹簧弹开B、C两滑块的过程中,根据动量守恒定律和机械能守恒定律,有0=2mvC-mvB
EP=m
+
m
解得vB=,vC=
式中vB、vC分别表示B、C两滑块离开弹簧时的速度大小.
滑块B经过时间t1==
先与木槽A左侧壁碰撞,
设碰撞后达到的共同速度为v1,则mvB=(m+m)v1
解得v1=,方向水平向左
(2)木槽A与B滑块相撞后,一起向左做匀减速运动,其加速度大小为a==2μg
木槽A和滑块B相撞后速度减为0的时间t2==
在(t1+t2)这段时同内.滑块C和木槽移动的距离之和为s=vC(t1+t2)+v1t2=
L<L,所以在C与A相撞前AB停止运动
再经过一段时间.滑块C和木槽右侧壁碰撞.则2mvC=(m+m+2m)v2
解得v2=,方向水平向右
(3)第一次碰撞后A与B的总动能全都转化为摩擦热Q1=(m+m)
=
μmgL
第二次碰撞后系统的总动能全都转化为摩擦热Q2=(m+m+2m)
=
μmgL
整个过程中木槽和桌面因摩擦而产生的热量为Q=Q1+Q2=μmgL.
答:(1)滑块与槽壁第一次碰撞后的共同速度为v1=,方向水平向左.
(2)滑块与槽壁第二次碰撞后的共同速度v2=,方向水平向右.
(3)整个运动过程中,木槽与桌面因摩擦产生的热量为μmgL.
(15分)成都是一座来了就不想走的城市,悠闲而不失高雅,前不久,成都东区音乐公园就举办了一场盛大的钢琴音乐会。工作人员在布置舞台时,要用绳索把钢琴从高台吊运到地面。已知钢琴的质量为175kg,绳索能承受的最大拉力为1820N,吊运过程中钢琴以0.6m/s的速度在竖直方向上做匀速直线运动。降落至底部距地面的高度为h时,立即以恒定加速度减速,最终钢琴落地时刚好速度为零(g取10m/s2),
求:(1)h的最小值是多少;
(2)为了保证绳索和钢琴的安全,此次以0.6m/s的初速度匀减速到零,用时3s,求此次减速过程中钢琴机械能的变化量△E。
正确答案
(1)0.45m (2) 1606.5J
试题分析:(1)当拉力最大时,h有最小值。对钢琴:F-mg=ma a="0.4" m/s2
v2=-2ah h=0.45m (6分)(用动能定理同样得分)
(2)当减速时间为3s时: (3分)
(法一) (4分)
所以,钢琴机械能的机械能减少了1606.5J(2分)
(法二)
(4分)
所以,钢琴机械能的机械能减少了1606.5J(2分)
游乐园的小型“摩天轮”上对称站着质量均为m的8位同学,如图所示,“摩天轮”在竖直平面内逆时针匀速转动,若某时刻转到顶点a上的甲同学让一小重物做自由落体运动,并立即通知下面的同学接住,结果重物掉落时正处在c处(如图)的乙同学恰好在第一次到达最低点b处接到,己知“摩天轮”半径为R,重力加速度为g,(不计人和吊篮的大小及重物的质量).问:
(1)接住前重物下落运动的时间t=?
(2)人和吊篮随“摩天轮”运动的线速度大小v=?
(3)乙同学在最低点处对地板的压力FN=?
正确答案
(1)由运动学公式2R=gt2得,
t=2.
(2)由v=得,
v==
=
π
.
(3)设支持力为F,由牛顿第二定律得:F-mg=m
解得F=m(g+g)=(1+
)mg
由牛顿第三定律得人对地板的压力FN=(1+)mg,方向竖直向下.
答:接住前重物下落运动的时间为2.
(2)人和吊篮随“摩天轮”运动的线速度大小为π
.
(3)乙同学在最低点处对地板的压力FN=(1+)mg.
在验证牛顿运动定律的实验中有如图(a)所示的装置,小车放在斜面上,车前端拴有不可伸长的细线,跨过固定在斜面边缘的小滑轮与重物相连,小车后面与穿过打点计时器的纸带相连.开始时,小车停在靠近打点计时器的位置,重物到地面的距离小于小车到滑轮的距离.启动计时器,释放重物,小车在重物牵引下,由静止开始沿斜面向上运动,重物落地后,小车会继续向上运动一段距离.打点计时器使用的交流电频率为50Hz.图(b)中a、b、c是小车运动纸带上的三段,纸带运动方向如图箭头所示.
(1)根据所+提供的纸带和数据,计算打c段纸带时小车的加速度大小为______m/s2(计算结果保留两位有效数字).
(2)打a段纸带时,小车的加速度大小是2.5m/s2,请根据加速度的情况,判断小车运动的最大速度可能出现在b段纸带中的______两点之间.
(3)若g取10m/s2,由纸带数据可推算出重物m与小车的质量M之比为m:M=______.
正确答案
(1)C段的加速度为了减小误差,采用逐差法
aC==-5.0m/s2
(2)b段中只有D4D5之间位移最大,所以最大速度一定在D4D5之间.
(3)c段时,aC=-5m/s2,设:斜面的夹角为θ,Mgsinθ=MaCsinθ=
A段时,aa=2.5m/s2,mg-Mgsinθ=(m+M)aa,解得:m:M=1:1.
故答案为:5.0D4D51:1
在光滑水平面上,质量为5kg的物体同时受5个水平力作用,保持静止状态,当去掉向东的10N的水平力,经3s后物体的速度大小是______m/s,位移大小是______m,方向______.
正确答案
当去掉向东的10N的水平力时,剩余的四个力的合力大小为10N,方向向西,
根据牛顿第二定律得:
a==
=2m/s2,方向向西
所以3s后物体的速度大小是v=at=6m/s
位移大小x=at2=9m,方向向西.
故答案为:6;9;向西
如图所示,传送带与地面的倾角θ=37o,从A到B的长度为16m,传送带以V0=10m/s的速度逆时针转动。在传送带上端无初速的放一个质量为0.5㎏的物体,它与传送带之间的动摩擦因数μ=0.5,求物体从A运动到B所需的时间是多少?(sin37o=0.6,cos37o=0.8)
正确答案
2s
物体放在传送带上后,开始阶段,传送带的速度大于物体的速度,传送带给物体一沿斜面向下的滑动摩擦力,物体由静止开始加速下滑,受力分析如图(a)所示;当物体加速至与传送带速度相等时,由于μ<tanθ,物体在重力作用下将继续加速,此后物体的速度大于传送带的速度,传送带给物体沿传送带向上的滑动摩擦力,但合力沿传送带向下,物体继续加速下滑,受力分析如图 (b)所示。综上可知,滑动摩擦力的方向在获得共同速度的瞬间发生了“突变” 。
开始阶段由牛顿第二定律得:mgsinθ+μmgcosθ=ma1;
所以:a1=gsinθ+µgcosθ=10m/s2;
物体加速至与传送带速度相等时需要的时间t1=v/a1=1s;
发生的位移:s=a1t12/2=5m<16m;
物体加速到10m/s 时仍未到达B点。
第二阶段,由于mgsinθ>µmgcosθ
有:mgsinθ-µmgcosθ=ma2 ;
所以:a2=2m/s 2;
设第二阶段物体滑动到B 的时间为t2
则:LAB-S=vt2+a2t22/2;
解得:t2=1s , t2/=-11s(舍去)。
故物体经历的总时间t=t1+t 2 =2s
(10分)如图所示,倾角为30o的斜面B放在水平地面上,其上表面光滑,整体可以左右滑动。将小球A挂在倾角为θ的光滑斜面上,细绳方向与斜面平行。试求(要求细绳方向始终与斜面平行,g = 10m/s2):
(1)当斜面如何运动时,小球对斜面的压力为零。
(2)当斜面如何运动时,绳子的拉力为零.
正确答案
(1) 小球对斜面的压力为零时,小球只受重力和拉力,合力水平向右
mgcot30o =" ma" ----------------2分
a="gcot30o=17.32(m/s2)" ------- 2分
斜面向右加速运动,或向左减速运动,加速度大小为a =17.32m/s2 -------1分
(2)当绳子的拉力为零时,小球只受重力和弹力,合力水平向左
mgtan30o =" ma" --------2分
a=gtan30o=5.77(m/s2) ----2分
斜面向左加速运动,或向右减速运动
加速度大小为a =5.77m/s2 -----1分
(1) 小球对斜面的压力为零时,小球只受重力和拉力,合力水平向右
斜面向右加速运动,或向左减速运动,加速度大小为a =17.32m/s2
(2)当绳子的拉力为零时,小球只受重力和弹力,合力水平向左
斜面向左加速运动,或向右减速运动
加速度大小为a =5.77m/s2
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