- 牛顿运动定律
- 共29769题
(16分)如图所示,一束电子从x轴上的A点以平行于y轴的方向射入第一象限区域,射入的速度为v0,电子质量为m,电荷量为e.为了使电子束通过y轴上的B点,可在第一象限的某区域加一个沿x轴正方向的匀强电场,此电场的电场强度为E,电场区域沿x轴方向为无限长,沿y轴方向的宽度为s,且已知OA=L,OB=2s,求该电场的下边界与B点的距离.
正确答案
试题分析:若电子在离开电场前到达B点
在竖直方向上: 1分
在水平方向上: 2分
故: 2分
若电子在离开电场后到达B点,
在竖直方向上有: 1分
2分
水平方向上有: 2分
设合速度与竖直方向的夹角为,则
2分
2分
联立可得: 2分
如图所示,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,弹簧处于自然状态时其右端位于B点。水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP,其形状为半径R="0.8" m的圆环剪去了左上角135°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离也是R。用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点。用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧也缓慢压缩到C点释放,物块过B点后其位移与时间的关系为x=8t-2t2,物块从桌面右边缘D点飞离桌面后,由P点沿圆轨道切线落入圆轨道。g ="10" m/s2,求:
(1)BP间的水平距离;
(2)判断m2能否沿圆轨道到达M点;
(3)释放后m2在水平桌面上运动过程中克服摩擦力做的功.
正确答案
(1) 7.6m. (2) 物体不能到达M点(3)5.6J
试题分析:(1)设物体由D点以初速度vD做平抛,落到P点时竖直速度为vy,
由 vy2=2gR , 解得:vD=4m/s
设平抛时间为t,水平位移x1,有
解得:x1=1.6m;
由题意可知,小球过B点后做初速度为v0=8m/s,加速度为a=4m/s2的减速运动到达D点的速度vD,则
所以BP的水平距离为:x=x1+x2=7.6m.
(2)若物体能沿轨道到达M点,其速度vM,则:
解得:
即物体不能到达M点。
(3)设弹簧长为AC时的弹性势能为EP,物块与桌面间的动摩擦因数为μ
释放
释放
解得J
设在桌面上运动过程中克服摩擦力做功为Wf,有
解得
如图,质量为0.5kg的小杯里盛有1kg的水,用绳子系住小杯在竖直平面内做“水流星”表演,转动半径为1m,g取10m/s。求:
(1)为使小杯经过最高点时水不流出,在最高点时最小速率是多少?
(2)当水杯在最高点速率V2=5m/s时,在最高点时,绳的拉力?
正确答案
(1) (2)22.5N
试题分析:对桶中的水进行受力分析,受重力和桶底对水的压力,根据两个力的合力提供向心力,求出桶底对水的压力.当水桶过最高点时水恰好不溢出,则桶底对水的压力为0,求出此时的速度,再对桶和水整体受力分析,根据竖直方向上的合力提供向心力,求出绳子的拉力.
对桶中的水分析有: ,当水桶过最高点时水恰好不溢出,则桶底对水的压力为0,有
.则
.
对桶和水整体有:,解得F=22.5N.
点评:解决本题的关键知道做圆周运动沿半径方向上的合力提供物体所需的向心力.以及知道当水桶过最高点时水恰好不溢出,此时桶底对水的压力为0.
(16分)2011春季我国西北地区还有强降雪,路面状况给行车带来了困难。雪天行车由于不可测因素太多,开车时慢行可以给自己留出更多的时间去判断,从而做出正确操作,又由于制动距离会随着车速提高而加大,所以控制车速和与前车保持较大安全距离是冰雪路面行车的关键。一般来说多大的行驶速度,就要相应保持多长的安全行驶距离,如每小时30千米的速度,就要保持30米长的距离。据查,交通部门要求某一平直路段冰雪天气的安全行车速度减为正常路面的三分之二,而安全行车距离则要求为正常状态的三分之五,若制动状态时车轮呈抱死状态,未发生侧滑和侧移,路面处处的摩擦因数相同,试计算冰雪路面与正常路面的动摩擦因数之比。
正确答案
μ2︰μ1 = 4︰15
解:方法一:
设:正常路面的动摩擦因数为μ1,速度为v1,对应的安全行车距离为S1.冰雪路面的动摩擦因数为μ2,车速为v2, 对应的安全行车距离为S2.
则:由牛顿第二定律及运动学公式:
正常路面:μ1mg = ma1…… ① (3分)
-v12 = -2a1S1…… ② (3分)
冰雪路面: μ2mg = ma2…… ③ (3分)
-v22 = -2a2S2…… ④ (3分)
由题意知: v2 = 2v1/3 …… ⑤ (1分)
S2 = 5S1/3 …… ⑥ (1分)
联立以上解得: μ2︰μ1 = 4︰15 (2分)
方法二:
由动能定理:
正常路面: -μ1mgS1 =" -m" v12/2 …… ① (6分)
正常路面: -μ2mgS2 =" -m" v22/2 …… ② (6分)
由题意知: v2 = 2v1/3 …… ③ (1分)
S2 = 5S1/3 …… ④ (1分)
联立以上解得: μ2︰μ1 = 4︰15 (2分)
(14分)如图所示,AB为倾角θ=37°的斜面轨道,轨道的AC部分光滑,CB部分粗糙。BP为圆心角等于143°,半径R=1m的竖直光滑圆弧形轨道,两轨道相切于B点,P、0两点在同一竖直线上,轻弹簧一端固定在A点,另一自由端在斜面上C点处,现有一质量m = 2kg的物块在外力作用下将弹簧缓慢压缩到D点后(不栓接)释放,物块经过C点后,从C点运动到B点过程中的位移与时间的关系为(式中x单位是m , t单位是s),假设物块笫一次经过B点后恰能到达P点,(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8),g取1Om/s2。
试求:(1) 若CD=1m,试求物块从D点运动到C点的过程中,弹簧对物块所做的功;
(2) B、C两点间的距离x
(3) 若在P处安装一个竖直弹性挡板,小物块与挡板碰撞时间极短且无机械能损失,小物块与弹簧相互作用不损失机械能,试通过计算判断物块在第一次与挡板碰撞后的运动过程中是否会脱离轨道?
正确答案
(1)156J (2) (3)不会
试题分析:(1)由,知,物块在C点速度为
设物块从D点运动到C点的过程中,弹簧对物块所做的功为W,由动能定理得:
代入数据得: (5分)
(2)由知,物块从C运动到B过程中的加速度大小为
设物块与斜面间的动摩擦因数为,由牛顿第二定律得
代入数据解得
物块在P点的速度满足
物块从B运动到P的过程中机械能守恒,则有
物块从C运动到B的过程中有
由以上各式解得 (5分)
(3)假设物块第一次从圆弧轨道返回并与弹簧相互作用后,能够回到与O点等高的位置Q点,且设其速度为,由动能定理得
解得
可见物块返回后不能到达Q点,故物块在以后的运动过程中不会脱离轨道。 (4分)
(12分)如图所示,质量为=0.8
的小球A放在光滑的倾角
=30°绝缘斜面上,小球带正电,电荷量为
,在斜面上的B点固定一个电荷量为
的正点电荷,将小球A由距B点0.3
处无初速度释放,求:(重力加速度
,静电力常量
)
(1)A球刚释放时的加速度的大小
(2)当A球的动能最大时,A球与B点的距离。
正确答案
(1)3.75m/s2;(2)0.15m。
试题分析:(1)A的受力如图所示:
A受的电场力F==1N,
mgsinα-F=ma,得加速度的大小为a=3.75m/s2。
(2)当物体的加速度为零时,A球的速度最大,即动能最大,
则F′=mgsinα,故=mgsinα
解之得:r′=0.15m。
一种氢气燃料的汽车,质量为=2.0×103kg,发动机的额定输出功率为80kW,行驶在平直公路上时所受阻力恒为车重的0.1倍。若汽车从静止开始先匀加速启动,加速度的大小为
=1.0m/s2。达到额定输出功率后,汽车保持功率不变又加速行驶了800m,直到获得最大速度后才匀速行驶。试求:
(1)汽车的最大行驶速度;
(2)当汽车的速度为32m/s时的加速度;
(3)汽车从静止到获得最大行驶速度所用的总时间。
正确答案
(1)40m/s(2)(3)
试题分析:(1)汽车的最大行驶速度 (2分)
(2)当汽车的速度为32m/s时的牵引力F=
由牛顿第二定律得:F-f=ma (4分)
(3)汽车从静止到匀加速启动阶段结束所用时间
达到额定输出功率后,汽车保持功率不变又加速行驶了800m, 这一过程阻力不变,对这一过程运用动能定理:
解得
总时间
点评:高中物理中,分析受力和物理过程是非常重要的.最大功率要用第三阶段中的Pm=FV=fVm计算,而不能用第一阶段中的F与第三阶段中的Vm的乘积计算,两个F是不同的;Vm是最终速度,整个过程并不全是匀加速运动,不能用Vm=at来计算整个过程时间. 要注意某一时刻的物理量要对应起来.
(本小题14分)如图所示为车站使用的水平传送带的模型,它的水平传送带的长度为L="8" m,传送带的皮带轮的半径均为R=0.2 m,传送带的上部距地面的高度为h=0.45 m,现有一个旅行包(视为质点)以v0="10" m/s的初速度水平地滑上水平传送带。已知旅行包与皮带之间的动摩擦因数为µ=0.6. (g取10 m/s2.)试讨论下列问题:
(1)若传送带静止,旅行包滑到B端时,人若没有及时取下,旅行包将从B端滑落。则包的落地点距B端的水平距离为多少?
(2)设皮带轮顺时针匀速转动,并设水平传送带长度仍为8 m,旅行包滑上传送带的初速度恒为10 m/s。当皮带轮的角速度ω值在什么范围内,旅行包落地点距B端的水平距离始终为(1)中所求的水平距离?若皮带轮的角速度ω1="40" rad/s,旅行包落地点距B端的水平距离又是多少?
(3)设皮带轮以不同的角速度顺时针匀速转动,在图所示的坐标系中画出旅行包落地点距B端的水平距离s随皮带轮的角速度ω变化的图象.
正确答案
(1)x=0.6m
(2);
(3)略
本题考查力与运动的关系,先对旅行包进行受力分析,摩擦力提供加速度,旅行包到达B段的速度与圆周的临界速度进行对比可知旅行包做平抛运动,根据竖直高度求得运动时间再由水平方向的匀速运动求得水平位移,当ω1=40rad/s时,求得线速度大小,与旅行包的速度比较可由运动学公式求得位移大小,以后旅行包做匀速直线运动
旅行包做匀减速运动a=μg=6m/s2(1分)(1分)
(1)旅行包到达B端速度为,(1分)
,所以包作平抛运动(1分)
包的落地点距B端的水平距离为:s=vt=2×0.3m="0.6m" (1分)
(2)当ω1=40rad/s时,皮带速度为v1=ω1R="8m/s" (1分)
设当旅行包的速度也为v1=8m/s时,可得在皮带上运动了位移,
以后旅行包做匀速直线运动,所以旅行包到达B端的速度也为v1="8m/s" 作平抛运动(2分) ,
包的落地点距B端的水平距离为="2.4m" (1分)
(3)如图所示(3分)
(16分)假期中,小芳乘坐火车外出旅游,当火车在一段平直轨道上匀加速行驶时,她用身边的器材测出火车的加速度。小芳的测量过程如下:她一边看着窗外每隔100m的路标,一边用手表记录着时间。她观测到她所在车厢从经过第一根路标到经过第二根路标的时间间隔为12s,从经过第一根路标到经过第三根路标的时间间隔为22s。请你根据她的测量情况,求:
(1)火车的加速度大小(保留三位有效数字)
(2)火车经过第三根路标时的速度大小(保留三位有效数字)
正确答案
(1)a==0.152m/s2 (2)∴v3="10.8m/s "
(1)火车从第一根路标到第二根路标的过程,位移为s1=100m,时间为t1=12s,中间时刻速度
(2分)
火车经过第二根路标到经过第三根路标的过程,位移为s2=100m,时间为t2=10s,中间时刻速度
(2分)
(3分)
解之得 a==0.152m/s2 (3分)
(2)由运动学公式得,火车经过第三根路标时速度 (3分)
∴v3="10.8m/s " (3分)
如图所示,质量为60kg的滑雪运动员,在倾角θ为37°的斜坡顶端,从静止开始自由下滑50m到达坡底,用时5s,然后沿着水平路面继续自由滑行,直至停止,不计拐角处能量损失,滑板与斜面及水平面间的动摩擦因数相同,g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,求:
(1)运动员下滑过程中的加速度大小;
(2)滑板与坡面间的滑动摩擦力大小;
(3)运动员在水平路面上滑行的时间.
正确答案
(1)根据x=a1t12得,a1=
=
m/s2=4m/s2.
(2)根据牛顿第二定律得,mgsinθ-f=ma1
解得滑动摩擦力f=mgsinθ-ma1=600×0.6-60×4N=120N.
(3)在斜面上运动时,支持力N=mgcos37°
根据f=μN,解得μ==
=0.25.
根据牛顿第二定律,在水平面上滑行时的加速度大小a2==μg=2.5m/s2.
运动员滑动底端时的速度v=a1t1=4×5m/s=20m/s.
则在水平面上滑行的时间t2==
s=8s.
答:(1)运动员下滑过程中的加速度大小为4m/s2;(2)滑板与坡面间的滑动摩擦力大小为120N;(3)运动员在水平路面上滑行的时间为8s.
一枚由课外小组自制的火箭,在地面时的质量为3Kg.设火箭发射实验时,始终在垂直于地面的方向上运动.火箭点火后燃料燃烧向下喷气的过程可认为其做匀加速运动,火箭经过4s到达离地面40m高时燃料恰好用完.若空气阻力忽略不计,(g=10m/s2)则
(1)燃料恰好用完时的火箭的速度为多少?
(2)火箭上升离开地面的高度为多少?
(3)火箭上升时受到的最大推力是多少?
正确答案
(1)设燃料恰好耗尽时火箭的速度为v,根据运动学公式,有
h=t
解得
v==
m/s=20m/s;
(2)火箭燃料耗尽后能够继续上升的高度
h1==
=20m
故火箭离地的最大高度:H=h+h1=40+20=60m.
(3)火箭在飞行中质量不断减小.所以在点火起飞的最初,其推力最大.
根据加速度定义及牛顿第二定律,有
a==
=5m/s2
根据F-mg=ma
解得F=m(g+a)=3×(10+5)=45N;
答:(1)燃料恰好用完时的火箭的速度为20m/s;
(2)火箭上升离开地面的高度为60m;
(2)火箭上升时受到的最大推力是45N.
如图所示,在一辆静止的小车上,竖直固定着两端开口、内径均匀的U形管,U形管的竖直部分与水平部分的长度均为l,管内装有水银,两管内水银面距管口均为。现将U形管的左端封闭,并让小车水平向右做匀加速直线运动,运动过程中U形管两管内水银面的高度差恰好为
。已知重力加速度为g,水银的密度为ρ,大气压强为p0=ρgl,环境温度保持不变,求
(ⅰ)左管中封闭气体的压强p;
(ⅱ)小车的加速度a。
正确答案
(1);(2)
试题分析: (ⅰ)以左管中封闭的气体为研究对象,设U形管的横截面积为S,由玻意耳定律
解得
(ⅱ)以水平管内长为l的水银为研究对象,由牛顿运动定律
解得
质量为m=1kg的物体在水平轨道上向右运动,当物体的速度v0=27m/s时,对物体施加一方向斜向左下方与水平面成37°的恒力F=20N,如图所示.已知物体与轨道之间的动摩擦因数为μ=0.5,取g=10m/s2,求此后物体向右运动的最大距离.(cos37°=0.8.sin37°=0.6)
正确答案
物体向右做匀减速直线运动,受力如图所示,设此过程中物体的加速度为a,根据牛顿第二定律有:
Fcos37°+f=ma
N=mg+Fsin37°
又因为f=μN
联立方程解得:a=
代入数据解得:a=27m/s2
又:0-=2(-a)s
则,物体向右运动的最远距离为:s==
m=13.5m
答:此后物体向右运动的最大距离为13.5m
(16分)如图所示,ABDO是处于竖直平面内的光滑轨道,AB是半径R=15m的四分之一圆周轨道,半径OA处于水平位置,BDO是直径为15m的半圆轨道,D为BDO轨道的中央,一个小球P从A点的正上方距水平半径OA高H处自由落下,沿竖直平面内的轨道通过D点时对轨道的压力等于其重力的倍,试求:
⑴高度H的大小;
⑵讨论此球能否到达BDO轨道的O点,并说明理由;
⑶小球沿轨道运动后再次落到轨道上的速度的大小和方向。
正确答案
⑴H=10m;⑵能到达O点;⑶v=17.3m/s,方向与水平方向成夹角θ=arctan
试题分析:⑴设小球通过D点时的速度为vD,此时轨道对小球的弹力提供了小球做圆周运动的向心力,根据牛顿第二定律有:=
①
小球从P点运动至D点的过程中,根据动能定理有:mg(H+)=
-0 ②
由①②式联立解得:H==10m ③
⑵设小球能沿圆轨道运动至O点,速度为v0,根据动能定理有:mgH=-0 ④
由③④式联立解得:v0==
m/s ⑤
假设小球恰好通过圆轨道最高点O的速度为vC,根据牛顿第二定律有:mg=
解得:vC==
m/s<
m/s,所以,小球能够到达BDO轨道的O点
⑶小球通过O点后做平抛运动,设经过时间t落到AB圆弧轨道上,根据平抛运动规律可知,小球在水平方向通过的位移为:x=v0t ⑥
在竖直方向通过的位移为:y= ⑦
显然x、y满足圆轨迹方程:x2+y2=R2 ⑧
由⑤⑥⑦⑧式联立,并代入数据解得:t=1s
所以小球再次落到轨道上的速度大小为:v==
m/s=17.3m/s
方向与水平方向间的夹角为:θ=arctan=arctan
如图所示,一条长为L的细线,上端固定,将它置于一充满匀强电场的空间中,场强大小为E,方向水平向右。已知当细线向右偏离竖直方向的偏角为θ时,带电小球处于平衡状态。求:
⑴小球带电量为多少?
⑵如果使细线向右与竖直方向的偏角由θ增大为β,且自由释放小球,则β为多大时,才能使细线达到竖直位置时,小球的速度又刚好为零?
⑶如果将小球向左方拉成水平,此时线被拉直,自由释放小球后,经多长时间细线又被拉直?
正确答案
(1)(2)β=2θ (3)
试题分析:
(1)小球平衡状态 Eq=mgtanθ,解得
(2)对整个过程由动能定理 mgL(1-cosβ)-EqLsin β="0" ,解得 tanβ/2=tanθ,解得:β=2θ
(3)自由释放后小球作匀加速直线运动到细线又被拉直过程中, 因为 s = 2Lsinθ
而
根据
得
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