- 牛顿运动定律
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如图所示,斜面体静止于粗糙的水平地面上,斜面的倾角θ=37°,一个质量m=10kg的滑块由静止开始沿斜面下滑,当滑行路程s=4m时(斜面足够长),其速度v=4m/s,在此过程中斜面未动.(取g=10m/s2)求:
(1)滑块的加速度的大小;
(2)滑块所受的摩擦力的大小;
(3)地面对斜面体的摩擦力的大小和方向.
正确答案
(1)根据匀变速直线运动的速度位移公式得,滑块的加速度a==
m/s2=2m/s2.
(2)根据牛顿第二定律得,mgsin37°-f=ma
解得摩擦力f=mgsin37°-ma=100×0.6-10×2N=40N.
(3)对斜面体分析,受力如图所示.
根据共点力平衡得,f地+fcos37°=FNsin37°
FN=mgcos37°
代入数据解得f地=16N,方向水平向左.
答:(1)滑块的加速度大小为2m/s2;(2)滑块所受的摩擦力为40N;(3)地面对斜面体的摩擦力的大小为16N,方向水平向左.
如图所示,一小孩坐在雪橇上,一大人用F=50N的拉力拉雪橇,使雪橇沿水平地面做匀速直线运动,F与水平方向成θ=37°斜向上.已知小孩和雪橇的总质量为m=43kg,sin37°=0.6,cos37°=0.8.取g=10m/s2.求:
(1)地面对雪橇的支持力的大小FN;
(2)雪橇与水平地面间的动摩擦因数μ.
正确答案
(1)经对小孩和雪橇整体受力分析得:
竖直方向:Fsinθ+N=mg
解得N=mg-Fsinθ=400N
故地面对雪橇的支持力大小为400N.
(2)水平方向:Fcosθ-f=0f=μN
解得:μ==0.1
答:(1)地面对雪橇的支持力的大小为400N;
(2)雪橇与水平地面间的动摩擦因数为0.1.
如图所示,长度l=1m,质量M=0.25kg的木板放在光滑的水平面上,质量m=2kg的小物块(质点)位于板的左端,板和物块间的动摩擦因数μ=0.1,现突然给板一向左的初速度v0=2m/s,同时对小物块施加一水平向右的恒定拉力F=10N,经过一段时间后,物块与板相对静止,取g=10m/s2.求:
(1)从开始运动到物块与板相对静止,经过的时间是多少?
(2)物块最终在板上的位置.
正确答案
(1)由题意知木块向右作匀加速运动,木板先向左匀减速运动,再向右匀加速运动
木块与木板间滑动摩擦力f=μmg=2N
根据牛顿第二定律知
木块的加速度为
a1==4m/s2
木板的加速度为
a2==8m/s2
当木块、木板具有共同速度时,两者不再发生相对滑动,一直匀速运动下去.
即:a1t=-v0+a2t
解得t=0.5s
两者速度大小为v=a1t=2m/s
可见木板此时恰好回到原位置,位移为零
此过程木块的位移为s=at2=0.5m
所以木块最终停在木板的中点上.
答:(1)从开始运动到物块与板相对静止,经过的时间是0.5s;
(2)木块最终停在木板的中点上.
一个质量m=10kg的静止物体与水平地面间滑动摩擦系数μ=0.5,受到一个大小为100N与水平方向成θ=37°的斜向上拉力作用而运动,假设拉力作用的时间为t=1s.(g取10m/s2.已知sin53°=0.8,cos53°=0.6)
(1)求1s内拉力做的功;
(2)求1s内摩擦力做的功;
(3)求1s内合外力做的功.
正确答案
(1)由受力分析
知:FN=G-Fsin37°=100-100×0.6=40N
由摩擦力公式得:Ff=μFN=0.5×40=20N
由牛顿第二定律:F合=Fcos37°-Ff=ma
解得:a=6m/s2
由位移公式可得x=at2=
×6×12=3m
故1s内拉力做的功:WF=Fxcos37°=100×3×0.8=240J
(2)WFf=Ffxcos180°=20×3×(-1)=-60J
(3)W合=F合x=max=10×6×3=180J
答:(1)1s内拉力做的功为240J;
(2)1s内摩擦力做的功为-60J;
(3)1s内合外力做的功为180J.
如图所示,甲、乙两小球静止在光滑水平面上,甲、乙的质量分别是2kg和1kg,在强大的内力作用下分离,分离时甲的速度v1=2m/s,乙小球冲上速度为v0=2m/s的水平传送带上(传送带速度保持不变),乙与传送带之间的动摩擦因数μ=0.2,DEF是光滑细圆管,其中D点与水平面相切,EF是半经为R=0.1m圆弧,乙小球的直经比细管直经略小点,乙小球离开传送带时与传送带速度相等,从D处进入细管到达细管的最高点F水平飞出,求:
(1)乙小球冲上传送带时的速度;
(2)传送带的水平距离L应满足的条件?
(3)乙小球运动到细管的最高点F时对细管的作用力(要回答对细管上壁还是下壁的作用力)
正确答案
(1)甲、乙两小球组成的系统动量守恒,以甲的速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
m甲v甲-m乙v乙=0,
代入数据解得:v乙=4m/s;
(2)v乙>v0,乙小球在传送带上做匀减速运动,对乙,由牛顿第二定律得:
a==
=μg,
由匀变速运动的速度位移公式得,乙的位移:s==3m,
传送带水平距离应满足的条件是:L≥s=3m;
(3)球由D到F过程中,由机械能守恒定律得:m
=
m
+mgR,
代入数据解得:v=m/s,
乙小球在最高点F,由牛顿第二定律得:mg+F=m,
代入数据解得:F=10N,
F是正值说明是细管的上壁对小球有向下的压力,
由牛顿第三定律知,小球对细管的上壁有向上的作用力,大小10N;
答:(1)乙小球冲上传送带时的速度为4m/s;
(2)传送带的水平距离L应满足L≥3m;
(3)乙小球运动到细管的最高点F时,小球对细管的上壁有向上的作用力,大小10N.
小车在水平面上向左作直线运动,车厢内用OA、OB两细线系住小球.球的质量m=4千克.线OA与竖直方向成θ=37°角.如图所示.g取10米/秒2,
求:(1)小车以5米/秒的速度作匀速直线运动,求OA、OB两绳的张力?
(2)小车以5米/秒的速度作匀速直线运动,当小车改作匀减速直线运动,并在12.5米距离内速度降为零的过程中,OA、OB两绳张力各多大?
(3)小车如何运动时,可使OB绳所受拉力开始为零?
正确答案
依题意(1)选小球为研究对象,
X轴方向水平向左,根据平衡条件:
X轴:TAOsinθ-TBO=0
Y轴:TAOcosθ-mg=0
解得:TAO=50N TBO=30N;
(2)设小车运动方向为正方向,作匀减速的初速度v0=5m/s,末速度为0,s=12.5m
由=2as
得小车做匀减速的加速度为:a=-1m/s2
X轴:TAOsinθ-TBO=ma
Y轴:TAOcosθ-mg=0
解得:TAO=50N;TBO=34N;
(3)当绳子OB所受拉力恰好为零时,则
X轴:TAOsinθ=ma
Y轴:TAOcosθ-mg=0
解得a=7.5m/s2
即小车向左做加速度大于a=7.5m/s2的运动;
答:(1)小车以5米/秒的速度作匀速直线运动,OA、OB两绳的张力分别为50N、30N.
(2)小车以5米/秒的速度作匀速直线运动,当小车改作匀减速直线运动,并在12.5米距离内速度降为零的过程中,OA、OB两绳张力分别为50N、34N.
(3)小车向左做加速度大于a=7.5m/s2的运动,可使OB绳所受拉力开始为零.
如图所示,倾角θ=37°的传送带上,上、下两端相距S=7m.当传送带以u=4m/s的恒定速率顺时针转动时,将一个与传送带间动摩擦因数μ=0.25的物块P轻放于A端,P从A端运动到B端所需的时间是多少?
正确答案
设P初始下滑的加速度为a1,则有mgsinθ+μmgcosθ=ma1
解得a1=g(sinθ+μcosθ)=8m/s2
前一段加速滑下时间t1==0.5s
当P加速到u时,P发生的位移S1==1m<7m
此后P,继续加速下滑,设加速度为a2,
有mgsinθ-μmgcosθ=ma2,所以a2=4m/s2
根据位移时间关系公式,有L-S1=ut2+a2
解得后一段加速滑下时间t2=1s
P从A到B总时间t=t1+t2=1.5s
即P从A端运动到B端所需的时间是为1.5s.
曾经有科学家采用使物体做匀加速直线运动的方法,来测定物体与斜面间的动摩擦因数,实验装置如图所示,在一个倾角为θ的斜面上,使小木块从静止开始匀加速滑下,实验测得小木块在时间t内的位移为x,已知重力加速度为g.试求:
(1)小木块在下滑过程中的加速度a;
(2)小木块与斜面间的动摩擦因数μ.
正确答案
(1)物体由静止匀加速下滑,已知位移为x,时间为t,由x=at2,得加速度a=
.
(2)根据牛顿第二定律,得F合=ma
对物体进行受力分析,运用正交分解得:N=mgcosθ
则得 mgsinθ-f=ma,
f=mgsinθ-ma
所以μ==
=
答:
(1)小木块在下滑过程中的加速度a是;
(2)小木块与斜面间的动摩擦因数μ是.
如图7所示,传送带AB段是水平的,长20 m,传送带上各点相对地面的速度大小是2 m/s,某物块与传送带间的动摩擦因数为0.1。现将该物块轻轻地放在传送带上的A点后,经过多长时间到达B点?(g取)
正确答案
11s
物块放到A点后先在摩擦力作用下做匀加速直线运动,速度达到2m/s后,与传送带一起以2m/s的速度直至运动到B点。
一质量m=1000kg的汽车在水平路面上从静止开始匀加速启动,t=5s时行驶的距离x=25m,求:
(1)汽车在前5s的加速度大小a
(2)假设汽车发动机提供的牵引力F=2200N,求汽车在前5s受到的阻力大小f(假设前5s阻力大小不变).
正确答案
汽车做初速度为零的匀加速直线运动,
已知t=5s,x=25m,
汽车的加速度:a==
=2m/s2;
(2)汽车受力如图所示,
由牛顿第二定律得:F合=F-f=ma,
阻力:f=F-ma=2200-1000×2=200N;
答:(1)汽车的加速度为2m/s2;(2)汽车受到的阻力为200N.
如图,小车在水平面上以4m/s的速度向右做匀速直线运动,车厢内用OA、OB两细绳系住一个质量为2kg的物体,OA与竖直方向夹角为θ=37°,OB是水平的.后来小车改做匀减速运动,经8m的位移停下来(运动过程OB拉力不为0).
求:(1)车在匀速运动的过程中,两绳的拉力TA、TB各是多少?(sin37°=0.6)
(2)车在匀减速运动的过程中,两绳的拉力TA、TB各是多少?(g取10m/s2)
正确答案
(1)匀速运动时,对小球分析受力分析,如图所示,则有:
水平方向:TAsinθ=TB …①
竖直方向:TAcosθ=mg…②
得:TA=25N,TB=15N
(2)匀减速运动时,小球的加速度水平向左,已知v0=4m/s,v=0,S=8m,设经过时间t停下来,加速度大小为a
由运动学知识有:-2as=v2-v02
得加速度:a=1m/s2
根据牛顿第二定律得:
水平方向:TB-TAsinθ=ma
竖直方向:TAcosθ=mg
可得:TA=25N,TA=13N
答:(1)车在匀速运动的过程中,两绳的拉力TA、TB各是25N和15N.
(2)车在匀减速运动的过程中,两绳的拉力TA、TB各是25N和13N.
质量m=50kg的运动员,在一座高桥上做“蹦极”运动.他所用的弹性绳的劲度系数k=62.5N/m,自然长度为l=12m,弹性绳中的弹力与弹性绳的伸长量遵循胡克定律,设在整个运动过程中弹性绳都在弹性限度内.运动员从桥面上由静止自由下落,下落到最低点时(仍在空中),绳的弹性势能Ep=2×104J.不计空气阻力,取g=10m/s2.求:
(1)运动员下落的距离h为多少时达到最大速度.
(2)运动员到达最低点时的加速度a.
正确答案
(1)达到最大速度时,弹力和重力平衡,故k(h-L)=mg
解出h=20m
(2)设下落的最大高度为h′,由机械能守恒定律:
mg h′=Ep
解出h′=40m
在最低点,由牛顿第二定律得:
K(h′-L)-mg=ma
解得a=25m/s2
答:(1)运动员下落的距离h为20m时达到最大速度.
(2)运动员到达最低点时的加速度为25m/s2.
如图所示(俯视图),相距为2L的光滑平行金属导轨水平放置,导轨一部分处在以OO′为右边界的匀强磁场中,匀强磁场的磁感应强大小为B,方向垂直导轨平面向下,导轨右侧接有定值电阻R,导轨电阻忽略不计.在距边界OO′为L处垂直导轨放置一质量为m、电阻不计的金属杆ab.求解以下问题:
(1)若金属杆ab固定在导轨上的初始位置.磁场的磁感应强度在时间t内由B均匀减小到零.求此过程中电阻R上产生的焦耳热Ql.
(2)若磁场的磁感应强度不变,金属杆ab在恒力作用下由静止开始向右运动3L距离,其V--X的关系图象如图乙所示.求:
①金属杆ab刚要离开磁场时的加速度大小;
②此过程中电阻R上产生的焦耳热Q2.
正确答案
(1)磁场的磁感应强度在时间t内由B均匀减小到零,说明=
根据法拉第电磁感应定律得出此过程中的感应电动势为:
E1==
①
通过R的电流为I1= ②
此过程中电阻R上产生的焦耳热为Q1=I12Rt ③
联立求得Q1=
(2)①ab杆离起始位置的位移从L到3L的过程中,由动能定理可得:
F(3L-L)=m(v22-v12) ④
ab杆刚要离开磁场时,感应电动势 E2=2BLv1 ⑤
通过R的电流为I2= ⑥
ab杆水平方向上受安培力F安和恒力F作用,安培力为:
F安=2BI2L ⑦
联立⑤⑥⑦F安= ⑧
由牛顿第二定律可得:F-F安=ma ⑨
联立④⑧⑨解得a=-
②ab杆在磁场中由起始位置到发生位移L的过程中,由动能定理可得:
FL+W安=mv12-0
W安=mv12-FL ⑩
根据功能关系知道克服安培力做功等于电路中产生的焦耳热,
所以联立④⑩解得 Q2=-W安=
答:(1)若金属杆ab固定在导轨上的初始位置.磁场的磁感应强度在时间t内由B均匀减小到零.此过程中电阻R上产生的焦耳热为.
(2)①金属杆ab刚要离开磁场时的加速度大小是-
;
②此过程中电阻R上产生的焦耳热为.
在某次消防演习中,消防队员通过一根竖直的长绳从楼房顶端由静止滑下,经3s落地.已知该消防队员下滑过程中轻绳对消防队员的作用力随时间变化情况如图所示,消防队员质量m=60kg,不计空气阻力.试求:
(1)消防员在下滑过程中的最大速度;
(2)楼房的高度.
正确答案
(1)0到1s内,加速下滑,根据牛顿第二定律:
mg-F1=ma1
得:a1=g-=10-
=5m/s2
最大速度:vm=a1t1=5×1m/s=5m/s
(2)0到1s内的位移:x1=a1
=
×5×12m=2.5m
1s到3内物体的受力:F2-mg=ma2
得:a2=-g=
-10=2m/s2
位移:x2=vmt2-a2
=5×2-
×2×22=6m
楼房的高度:x=x1+x2=2.5m+6m=8.5m
答:(1)消防员在下滑过程中的最大速度是5m/s;
(2)楼房的高度是8.5m
如图所示,倾角为θ的斜面体与正方体靠在一起置于水平面上,一质量为m的滑块从斜面的顶端由静止开始滑到斜面底端,此过程中正方体始终处于静止状态.已知斜面体的底面光滑,斜面部分与滑块间的动摩擦因数为μ,斜面体的高度为h,重力加速度大小为g,求:
(l)滑块沿斜面下滑的时间;
(2)正方体所受地面摩擦力的大小.
正确答案
(1)滑块下滑时,由牛顿第二定律得:
mgsinθ-μmgcosθ=ma,
由匀变速运动的位移公式得:
=
at2,
解得:t=;
(2)滑块与物体受力如图所示:
对滑块:Ff=μmgcosθ,FN=mgcosθ,
由牛顿第三定律得:FN′=FN,Ff′=Ff,
对斜面体与正方体组成的系统,由平衡条件得:
f=FN′sinθ-Ff′cosθ=mg(sinθ-μcosθ)cosθ;
答:(l)滑块沿斜面下滑的时间为;
(2)正方体所受地面摩擦力的大小为mg(sinθ-μcosθ)cosθ.
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