- 牛顿运动定律
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(8分)2008年5月12日,四川汶川地区发生8级特大地震,给人民生命和财产造成极大危害。危急关头,在党和政府的积极指挥下,英雄的消防官兵及时地出现在灾区人民面前,为他们排忧解难。在一次救援行动中,一名消防队员沿着长为12m的竖立在地面上的钢管往下滑。这名队员的质量为
60kg,他从钢管顶端由静止开始先匀加速再匀减速下滑,滑到地面时速度恰好为零。如果加速时的加速度大小是减速时的加速度大小的2倍,下滑的总时间为3s,那么该消防队员下滑过程中的最大速度是多少?加速和减速下滑时,消防队员与钢管间的摩擦力之比是多少?
正确答案
解:设最大速度为Vm,由S=Vmt/2
得:Vm="8" m/s
又Vm=a1t1=a2t2
由题意a1=2a2
t=t1+ t2="3 "
则t1="1" s t2="2s "
a1=8m/s2 a1=4m/s2
mg – f1=ma1
且f2-mg=ma2
则f1="l20N " f2="840N "
所以 f1:f2=1:7 。
略
如图1所示,质量m=1.0kg的物块,在水平向右、大小F=5.0N的恒力作用下,沿足够长的粗糙水平面由静止开始运动.在运动过程中,空气对物块的阻力沿水平方向向左,其大小f空=kv,k为比例系数,f空随时间t变化的关系如图2所示.g取10m/s2.
(1)求物块与水平面间的动摩擦因数μ;
(2)估算物块运动的最大速度vm;
(3)估算比例系数k.
正确答案
(1)设水平面对物块的摩擦力为f.由题意可知,最终物块做匀速直线运动,则有F-f-f空=0
又因为f=μmg
代入数据解得:μ=0.20
(2)在0~2s内,根据动量定理有(F-f)t-I空=mvm
由图2可知,I空=0.25×18N•s=4.5N•s
代入数据解得:vm=1.5m/s
(3)因为f空m=kvm
代入数据解得:k=2.0kg/s
答:(1)物块与水平面间的动摩擦因数为0.2;(2)物块运动的最大速度为1.5m/s;(3)比例系数为2.0kg/s
如图所示,线的上端固定,下端系一小球,将小球与线拉在同一水平位置后从静止开始释放,求:
小球的摆线运动到与水平方向成多大角度时,小球所受的重力的功率最大。(用反三角函数表示)
正确答案
试题分析: 设摆线长为l,小球的摆线运动到与水平方向成θ角度时,小球所受的重力的功率最大,此时小球的速度为,由几何关系知,重力mg与速度v的夹角等于θ,根据功率定义得:
由动能定理得:
以上两式联立解得:
令,
,因θ是锐角,所以
,对
求导得:
令得:
或
由导数图像得处取最大值。
所以当时,球所受的重力的功率最大
另解:设摆线长为l,小球的摆线运动到与水平方向成θ角度时,小球所受的重力的功率最大,此时小球的速度为,竖直分速度为
,根据功率定义得:
由动能定理得:
根据牛顿第二定律得:
沿水平方向和竖直方向进行正交分解,当时,竖直方向速度有最大值,小球所受的重力的功率有最大值。
以上各式联立解得:
故小球的摆线运动到与水平方向成角度时,小球所受的重力的功率最大。
如图所示,质量且足够长的木板静止在水平面上,与水平面间动摩擦因数
。现有一质量
的小铁块以
的水平速度从左端滑上木板,铁块与木板间动摩擦因数
。重力加速度
。求:
(1)铁块刚滑上木板时,铁块和木板的加速度分别多大?
(2)木板的最大速度多大?
(3)从木板开始运动至停止的整个过程中,木板与地面摩擦产生的热量是多少?
正确答案
(1)2m/s2; 1m/s2.(2)1m/s;(3)3J
试题分析:(1)铁块刚滑上木板时,对铁块和木板,有:;
;
代入数据可得:a1=2m/s2;a2=1m/s2.
(2)两者速度相同时,木块的速度为v,则
v=v0-a1t1;v=a2t1;
解得:v=1m/s;t1=1s;
(3)设木板从速度最大,到停止的时间为t2,则
,解得:a3=1m/s2,
v=a3t2,则t2=1s;
木板在地面上发生的总位移:,
从铁块滑上木板到停止的过程中木板与地面摩擦产生的热量为:,
联立并代入数据可得:Q=3J;
考点;牛顿第二定律的应用及摩擦生热.
(8分) 如图所示,薄板形斜面体竖直固定在水平地面上,其倾角为θ=37°.一个“Π”的物体B紧靠在斜面体上,并可在水平面上自由滑动而不会倾斜,B的质量为M=2kg。一根质量为m=1kg的光滑细圆柱体A搁在B的竖直面和斜面之间。现推动B以水平加速度a=4m/s2向右运动,并带动A沿斜面方向斜向上运动。所有摩擦都不计,且不考虑圆柱体的滚动,g=10m/s2。(sin37°=0.6,cos37°=0.8,)求:
(1)圆柱体A的加速度?
(2)B物体对A的推力F的大小?
正确答案
(1)(2)13.75N
(8分)(1)A 的合加速度方向沿斜面向上,其水平向右的分加速度和B的加速度相同,则
(4分)
(2)对A:由牛顿第二定律: (2分)
F=13.75N (2分)
本题考查的是牛顿定律的应用问题,首先根据运动的分解可知A与B的加速度关系,即可求解;再根据牛顿第二定律可解出推力F;
劲度系数为k的轻弹簧,上端固定,下端挂一质量为m的小球,小球静止时距地面高度为h,此时弹簧长度L>h.现用力向下拉球使球与地面接触,然后从静止释放小球,若弹簧始终在弹性限度内,则球运动到最高点时离地高度为______,加速度大小为______.
正确答案
从静止放开小球后,小球做简谐运动.球上升到最高点时,速度为零,根据对称性可知,弹簧的伸长量为h,所以距地面的最大高度为2h.
在最高点和最低点所受的合力大小相等,在最低点合力最大,F合=kh,则最高点合力也为kh,根据牛顿第二定律得:a=.
故答案为:2h,.
水平桌面上质量为2kg的物体受到4N的水平拉力,产生1.5m/s2的加速度,则物体所受的阻力大小为______N;若撤去拉力的瞬间,物体的加速度大小是______m/s2.
正确答案
未撤去拉力时,设阻力为f,拉力为F,根据牛顿第二定律得
F-f=ma 得到f=F-ma=1N
撤去拉力的瞬间,物体的加速度大小a′==0.5m/s2.
故答案为:1;0.5.
(10分)如图所示,A、B为一对平行板,板长为L,两板距离为d,板间区域内充满着匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向里,一个质量为m,带电荷量为+q的带电粒子自静止开始经M、N两平行金属板间的电场加速后,从A、B两板的中间沿垂直于磁感线的方向射入磁场。(不计粒子的重力)求:
(1)若粒子的初速度为0,M、N两板间的电压为U,求射出电场时粒子的速度?
(2)粒子以上述速度射入匀强磁场后做圆周运动的半径是多大?
(3)MN两极板间的电压U应在什么范围内,粒子才能从磁场内射出?
正确答案
(1) (2)
(3)
或 U>
试题分析:(1)粒子在M、N两板间加速,设射出加速电场时粒子的速度为,由动能定理得
,解得
(2)粒子做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力,,得
(3)若带电粒子从A板左边缘飞出,由甲图的几何关系知
代入第(2)问得
若带电粒子从A板右边缘飞出,由乙图的几何关系知解得
代入第(2)问得
综合以上分析:若粒子从磁场左侧射出,若U>
粒子从磁场右侧射出。
(9分)如图所示,在同一竖直平面内两正对着的相同半圆光滑轨道,相隔一定的距离,虚线沿竖直方向,一小球能在其间运动。今在最低点与最高点各放一个压力传感器,测试小球对轨道的压力,并通过计算机显示出。当轨道距离变化时,测得两点压力差与距离x的图像如图所示。(不计空气阻力,g取10 m/s2)求:
(1)小球的质量;
(2)光滑圆轨道的半径;
(3)若小球在最低点B的速度为20 m/s,为使小球能沿光滑轨道运动,x的最大值。
正确答案
0.1kg 2m 15m
试题分析: (1)设轨道半径为R,出机械能守恒定律:
(1)
对B点: (2)
对A点: (3)
由(1)、(2)、(3)式得:两点的压力差: (4)
由图象得:截距 6mg=6,得m=0.1kg (5)
(2)因为图线的斜率 所以R="2m" (6)
在A点不脱离的条件为: (7)
由(1)、(6)、(7)式得:=15m
有一辆质量为800kg的小汽车驶上圆弧半径为50m的拱桥。汽车到达桥顶时速度为5m/s,汽车对桥的压力大小是_________N;汽车速度v = m/s时时恰好对桥没有压力而腾空。(g取10m/s2)
正确答案
7600N , 22.4或10
试题分析:重力和向上的支持力的合力提供向心力
解得即汽车对桥的压力为7600N.
当时,重力恰好完全提供向心力
解得
即汽车以的速度经过桥顶时恰好对桥没有压力而腾空.
点评:汽车过拱桥关键在于找到向心力来源,然后根据合力等于向心力列式求解.
如图所示,在直角坐标系xOy平面内, 一质量为m的轻质小球(不计重力)在A(-2L,-L)点获得一沿x轴正方向的初速度v0,同时在第三象限内受到方向竖直向上、大小为F的恒力,小球运动到第二象限后受到竖直向下、大小也为F的恒力作用,并恰好能从y轴上的A′(0,L)垂直于y轴进入到第一象限,其运动轨迹如图所示,已知C点的坐标为(-2L,0)
(1)求此小球受到的恒力F的大小;
(2)将此小球移至A、C间的其他位置,仍以速度v0沿x轴正方向进入,若小球仍能垂直于y轴从OA′间进入第一象限,则小球在A、C间的位置的y轴坐标应满足什么条件?
正确答案
(1)(2)
。
试题分析:(1)设由A运动到A’,水平方向有,y方向有
,解得
。4分
(2)与C点距离△y射出的小球通过第三象限和第二象限后能沿x轴正方向射入第一象限,设小球第一次到达x轴的时间为△t,水平位移为△x,则有△x=v0△t,,
,解得
。5分
点评:关键是知道小球在x,y方向上的运动性质,根据运动的合成与分解知识解答
如图所示,木楔的质量M=10kg,倾角为q=30°,静止于粗糙水平地面上,木楔与地面间的动摩擦因数m=0.2,在木楔的斜面上,有一质量m=1.0kg的物块由静止开始沿斜面下滑,当滑行路程s=1.4m时,其速度v="1.4m/s" . 在这个过程中木楔处于静止状态,求地面对木楔的摩擦力的大小和方向(取g=10m/s2)
正确答案
f= 0.61N 方向与图设方向相同
【错解分析】错解:f=mN=f=mmg=0.2×10×10="20" N
地面对木楔的摩擦力的大小是20N,方向水平向左。
【正解】由v2t-v20=2as 知a=v2/2s=0.7m/s2
物块和木楔的受力如图所示:
对物块,由牛顿第二定律得:
mgsinq -f1=ma f1=4.3N
mgcosq-N1=0 N1=N
对木楔,设地面对木楔的摩擦力如图
所示,由平衡条件:
f=N′1sinq-f′1cosq=0.61N
f的结果为正值,说明所设的方向与图设方向相同
【点评】由于木楔没有动,不能用公式f=mN计算木楔受到的摩擦力,题中所给出动摩擦因数的已知条件是多余的。首先要判断物块沿斜面向下做匀加速直线运动,由运动学公式v2t-v20=2as可得其加速度a=v2/2s=0.7m/s2,由于a< gsinq=5m/s2,可知物块受摩擦力作用。
将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中,如图所示,在箱的上顶板和下底板装有压力传感器,箱可以沿竖直轨道运动。当箱以a=2.0m/s2加速度竖直向上作匀减速运动时,上顶板的压力传感器显示的压力N=7.2N,下底板的压力传感器显示的压力F=12.0N。(g=10m/s2)
(1)若上顶板的压力传感器的示数是下底板的压力传感器示数的一半,试判断箱的运动情况。
(2)要使上顶板的压力传感器的示数为零,箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的?
正确答案
(1)箱处于静止或匀速直线运动(2)加速度方向向上
【错解分析】不会分析上顶板传感器的示数是下底板传感器示数的一半时,弹簧长度不变,弹簧弹力仍为F,上顶板压力为F/2,无法得出a1=0的结果。
【正解】(1)下底板传感器的示数等于轻弹簧的弹力F,金属块的受力如图所示
上顶板的压力N=7.2N,弹簧的弹力F=12.0N,而加速度方向向下,
有mg+N-F="ma"
得 m=0.60kg
上顶板传感器的示数是下底板传感器示数的一半时,弹簧长度不变,弹簧弹力仍为F,上顶板压力为F/2,
有
解得 a1=0,即箱处于静止或匀速直线运动
(2)当上顶板的压力恰好为零时,弹簧长度还不变,弹簧弹力还为F,
有 ,
解得 a2=-10m/s2,“-”号表示加速度方向向上。
若箱和金属块竖直向上的加速度大于10m/s2,弹簧将进一步压缩,金属块要离开上顶板,上顶板传感器的示数也为0。只要竖直向上的加速度大于或等于10m/s2,不论箱是向上加速还是向下减速, 上顶板压力传感器的示数都为0。
水上滑梯可简化成如图所示的模型:倾角为Θ=37°斜滑道AB和水平滑道BC平滑连接,起点A距水面的高度H=7.0m,BC长d=2.0m,端点C距水面的高度h="1.0m." 一质量m=50kg的运动员从滑道起点A点无初速地自由滑下,运动员与AB、BC间的动摩擦因数均为μ=0.10.(取重力加速度g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6,运动员在运动过程中可视为质点)
①.求运动员沿AB下滑时加速度的大小a;
②.求运动员从A滑到C的过程中克服摩擦力所做的功W和到达C点时速度的大小υ;
③.保持水平滑道端点在同一竖直线上,调节水平滑道高度h和长度d到图中B′C′位置时,运动员从滑梯平抛到水面的水平位移最大,求此时滑道B′C′距水面的高度h′.
正确答案
① ②500J、10m/s ③3m
试题分析:(1)运动员沿AB下滑时,受力情况如图所示
根据牛顿第二定律:
得运动员沿AB下滑时加速度的大小为:
(2)运动员从A滑到C的过程中,克服摩擦力做功为:
由动能定理有
得运动员滑到C点时速度的大小
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,运动员做平抛运动的时间为t,
,
下滑过程中克服摩擦做功保持不变W=500J
根据动能定理得:
,
运动员在水平方向的位移:
当时,水平位移最大
点评:注意在已知初速度和受力情况又不涉及运动过程的时候可以选择动能定理去解题,方便,简洁。
如图所示是某项体育比赛项目的示意图,运动员从距投掷点P前某处的O1点将比赛所用的物体由静止开始加速指向O2点推动,到P点释放,此时物体的速度vl=2m/s,物体在滑道上经滑行到O2点刚好停止。已知P点到O2点的间距为x=28m(物体可视为质点,O1和O2之间的滑道各处粗糙程度相同,重力加速度为g=10m/s2)
(1)求物体和滑道之间的动摩擦因数。
(2)若在P处释放物体的速度为v2=1.5m/s,为了使物体仍能到达O2点,运动员从PO2的中点开始擦拭滑道,物体也恰好停在了O2点。设经擦试过后滑道和物体之间的动摩擦因数处处相等。求经擦拭过后滑道和物体之间的动摩擦因数。
正确答案
(1)μ==0.00714(1分)(2)0.000893
(1)μmg=ma1 (2分) (2分)
解得μ==0.00714(1分)
(2) 从P到PO2处:
(2分)
从PO2到O2处:μ/mg=ma2 (2分)
(2分) 解得μ/=
=0.000893
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