- 牛顿运动定律
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如图1所示为某同学所安装的“验证牛顿第二定律”的实验装置.若测得某一物体质量m一定时,a与F的有关数据资料如下表所示:
(1)根据表中的数据,请在图2中画出a-F图象.
(2)根据图象判定:当m一定时,a与F的关系为______.
(3)若甲、乙两同学在实验过程中由于没有按照正确步骤进行实验,处理数据后得出如图3所示的a-F图象.
试分析甲、乙两同学可能存在的问题:
甲:______.
乙:______.
正确答案
(1)描点作图,让尽量多的点落在直线上或分居直线两侧,如图所示:
(2)根据图象可以判定:因为a与F的图线为过原点的倾斜直线,知当M一定时,a与F的关系是a与F成正比.
(3)图线甲表明在小车的拉力为0时,小车的加速度大于0,说明合外力大于0,说明平衡摩擦力过大,即平衡摩擦力时把长木板抬得过高.
图线乙说明在拉力大于0时,物体的加速度为0,说明合外力为0,即绳子的拉力被摩擦力平衡了,即没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足.
故答案为:(1)如图
(2)a与F成正比
(3)平衡摩擦力时把长木板抬得过高,没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足.
一内壁光滑的环形细圆管,位于竖直平面内,环的半径为R(比细管的内径大得多),在圆管中有两个直径略小于细管内径的小球(可视为质点)A、B,A球质量为m1,B球质量为m2,它们沿圆管顺时针运动,经过圆管最低点时速度都是v0,若某时刻A球在圆管最低点时,B球恰好在圆管最高点,两球作用于圆管的合力为零,求m1、m2、R与v0应满足的关系式.
正确答案
如图所示,A球运动到最低点时速度为V0,A球受到向下重力mg和细管向上弹力N1的作用,其合力提供向心力.根据牛顿第二定律,得N1-m1g=m1①
这时B球位于最高点,设速度为V1,B球受向下重力m2g和细管弹力N2作用.球作用于细管的力是N1、N2的反作用力,要求两球作用于细管的合力为零,即要求N2与N1等值反向,N1=N2 ②,且N2方向一定向下,
对B球:N2+m2g=m2③B球由最高点运动到最低点时速度为V0,此过程中机械能守恒定律,得:
即 m2V12+m2g•2R=
m2V02 ④
由①②③④式消去N1、N2和V1后得到m1、m2、R与V0满足的关系式是:
(m1-m2)+(m1+5m2)g=0 ⑤
答:m1、m2、R与v0应满足的关系式为 (m1-m2)+(m1+5m2)g=0
如图所示,在竖直放置的半径为R的光滑绝缘细管的圆心O处放一点电荷,将质量m,带电量为+q的小球从圆弧管的水平直径端点A由静止释放,小球沿细管滑到最低点B时,对管壁恰好无压力,则圆心点电荷带电量Q=________.
正确答案
试题分析:设细管的半径为R,小球到达B点时速度大小为v.小球从A滑到B的过程,由机械能守恒定律得,mgR=,得到:v=
,小球经过B点时,由牛顿第二定律得:
Eq-mg=,将v=
代入得:E=
,由点电荷场强公式E=
,得Q=
如图所示,已知半径分别为R和r的甲、乙两个光滑的圆形轨道安置在同一竖直平面上,甲轨道左侧又连接一个光滑的轨道,两圆形轨道之间由一条水平轨道CD相连.一小球自某一高度由静止滑下,先滑上甲轨道,通过动摩擦因数为μ的CD段,又滑上乙轨道,最后离开两圆轨道.若小球在两圆轨道的最高点对轨道压力都恰好为零.试求:⑴分别经过C、D时的速度; ⑵小球释放的高度h; ⑶水平CD段的长度.
正确答案
(1);
(2)2.5R(3)
试题分析:(1)小球在光滑圆轨道上滑行时,机械能守恒,设小球滑过C点时的速度为vc,通过甲环最高点速度为v′,根据小球对最高点压力为零,有
①
取轨道最低点为零势能点,由机械守恒定律 ②
由①、②两式消去v′,可得 ③
同理可得小球滑过D点时的速度④
(2)小球从在甲轨道左侧光滑轨道滑至C点时机械能守恒,有
⑤
由③、⑤两式联立解得h=2.5R,因此小球释放的高度为2.5R
(3)设CD段的长度为L,对小球滑过CD段过程应用动能定理⑥
由③、④、⑥三式联立解得
(16分)如图所示,半径的光滑半圆轨道竖直固定在高
的光滑水平台上,与平台平滑连接,平台长
.可视为质点的两物块
、
束缚在一起,并静止在平台的最右端D点,它们之间有被压缩的轻质弹簧,某时刻突然解除束缚,使两物块
、
具有水平方向的速度,
通过平台到达半圆轨道的最高点A时,轨道对它的压力大小是
,水平抛出后在水平地面上的落在水平地面上的P点,
也落在P点.已知
,
取
.求:
(1)在 A时的速度?
(2)P点到D点的水平距离?
(3)解除束缚,使两物块、
具有的水平方向的速度的大小?.
正确答案
(1) (2)
(3)
,
试题分析: (1)设在A点时的速度为
,由牛顿第二定律得
解得:
(2)从A点到P点做平抛运动,设运动的时间为
,得:
设点到
点的水平距离为
,则
解得:
(3)设弹簧刚解除束缚后,的速度为
,从D点到A点由机械能守恒定律得:
,解得
设平抛时的速度为
,平抛运动的时间为
因,得
则
(10分)设雨点下落过程受到的空气阻力与雨点的横截面积S成正比,与雨点下落的速度v的平方成正比,即(其中k为比例系数).雨点接近地面时近似看做匀速直线运动,重力加速度为g.若把雨点看做球形,其半径为r,球的体积为
,设雨点的密度为
,求:
(1)每个雨点最终的运动速度(用
、r、g、k表示);
(2)雨点的速度达到时,雨点的加速度a为多大?
正确答案
(1)(2)
试题分析:(1)由于雨点接近地面时近似匀速直线运动
因此
而
,
而
联立得:
(2)根据牛顿第二定律
而此时
整理得
(12分)如图所示,装置BO′O可绕竖直轴O′O转动,可视为质点的小球A与两细线连接后分别系于B、C两点,装置静止时细线AB水平,细线AC与竖直方向的夹角θ=37º。已知小球的质量m=1kg,细线AC长L=1m,B点距转轴的水平距离和距C点竖直距离相等。(重力加速度g取10m/s2,sin37º=0.6,cos37º=0.8)
(1)若装置匀速转动的角速度为时,细线AB上的张力为0而细线AC与竖直方向的夹角仍为37°,求角速度
的大小;
(2)若装置匀速转动的角速度为时,细线AB刚好竖直,且张力为0,求此时角速度
的大小;
(3)装置可以以不同的角速度匀速转动,试通过计算在坐标图中画出细线AC上张力T随角速度的平方变化的关系图像
正确答案
(1) (2)
(3)时
时
试题分析:(1)细线AB上张力恰为零时有
解得
(2)细线AB恰好竖直,但张力为零时,由几何关系得 :
此时
(3)时,细线AB水平,细线AC上张力的竖直分量等于小球的重力
时细线AB松弛
细线AC上张力的水平分量等于小球做圆周运动需要的向心力
时,细线AB在竖直方向绷直,仍然由细线AC上张力的水平分量提供小球做圆周运动需要的向心力
综上所述 时,
不变
时,
关系图象如图所示
如图所示是建筑工地上常用的一种“深穴打夯机”,电动机带动两个滚轮匀速转动将夯杆从深坑提上来,当夯杆底端刚到达坑口时,两个滚轮彼此分开,将夯杆释放,夯杆在自身重力作用下,落回深坑,夯实坑底,夯杆不反弹,设夯杆与坑底的接触时间为t=1.0s,然后两个滚轮再次压紧,将夯杆提上来,如此周而复始.已知两个滚轮边缘的线速度恒为v=4.0m/s,每个滚轮对夯杆的正压力均为F=2.0×104N,滚轮与夯杆间的动摩擦因数μ=0.30,夯杆质量m=1.0×103kg,坑深h=6.4m.假定在打夯的过程中坑的深度不变,g=10m/s2,求:
(1)从夯杆开始向上运动到刚开始匀速运动,夯杆上升的高度H是多少?
(2)每个打夯周期(从夯杆刚离开坑底到下一次夯杆刚离开坑底的时间)中,电动机对夯杆做的功W;
(3)打夯周期T.
正确答案
(1)对夯杆由牛顿第二定律得:
2μF-mg=ma,解得:a=2m/s2,
当夯杆速度增加到4m/s时,
夯杆上升的高度为:H=,
解得:H=4m;
(2)电动机对夯杆所做的功等于夯杆增加的机械能,
W=EP+EK=mgh+mv2=1.0×103×10×6.4+
×1.0×103×42=7.2×104J;
(3)夯杆从开始运动到落回原处共经历四个运动过程:
向上匀加速运动、向上匀速运动、向上竖直上抛运动,向下自由落体运动.
匀加速运动的时间t1==
=2s,
匀速运动的时间t2==
=0.6s,
竖直上抛上升过程的运动时间t3==
=0.4s,
竖直上抛的位移h′==
=0.8m,
自由落体运动:h+h′=gt42,
t4==
=1.2s,
打夯周期T=t1+t2+t3+t4=4.2s;
答:(1)从夯杆开始向上运动到刚开始匀速运动,夯杆上升的高度H是4m.
(2)每个打夯周期中,电动机对夯杆做的功为7.2×104J.
(3)打夯周期为4.2s.
水平面上有质量为M=2kg的长木板,一质量为m=1kg的小铁块以初速度大小v0=4m/s从长木板的中点向左运动.同时,长木板在水平拉力作用下始终做速度大小为v=1m/s的向右的匀速运动,已知小铁块与木板、木板与水平面的动摩擦因数为μ=0.5.
求(1)在保证小铁块不能从长木板左端掉下的前提下,长木板至少多长?
(2)小铁块从中点开始运动到最终匀速运动的过程中拉力做了多少功?
正确答案
以木板的速度方向为正方向
(1)小铁块在减速到0再加速到v的加速度,由牛顿第二定律得:-μmg=ma
a=μg=0.5×10=5m/s2
运动时间t==
=1s
小铁块运动的位移x1==
=-1.5m
木板的位移x2=vt=1×1=1m
s相=-x1+x2=-(-1.5)+1≤,
L≥5m
代入数据得,L≥5m
(2)由木板匀速运动受力平衡得
F=μmg+μ(M+m)g=μ(M+2m)g
=0.5×(2+2×1)×10
=20N
由功的定义WF=Fx2=20×1=20J
答:(1)在保证小铁块不能从长木板左端掉下的前提下,长木板至少5m
(2)小铁块从中点开始运动到最终匀速运动的过程中拉力做了20J功.
(13分)如图,用跨过光滑定滑轮的缆绳将海面上一艘失去动力的小船沿直线拖向岸边。已知的电动机功率恒为P,小船的质量为m,小船受到的阻力大小恒为f,经过A点时的速度大小为v0,此时拖船缆绳与水平方向夹角为θ。小船从A点沿直线加速运动到B点时速度大小为v1,A、B两点间距离为d,缆绳质量忽略不计。求:
(1)小船在A点时,电动机牵引绳的速度v和电动机对绳的拉力F为多少;
(2)小船在B点时的加速度大小a;
(3)小船从A点运动到B点经过多少时间t
正确答案
(1)F="P/v=P/" v0cosθ (2)a="(P-f" v1)/m v1 (3)t=(mv12-mv22-2fd)/2P
试题分析:(1)据速度的分解原理
v=v0cosθ
F=P/v=P/v0cosθ
(2)设小船经过B点时绳的拉力为F',绳与水平方向夹角为φ,电动机牵引绳的速度为u,则
P=F’u
u=v1cosφ
由牛顿第二定律有F’cosφ-f=ma
a=(P-fv1)/mv1
(3)小船从A点运动到B点牵引力做的功w=Pt,阻力做功Wf=fd
由动能定理有w-wf=mv12/2-mv02/2
解得 t="(" mv12-mv02-2fd)/2P
如右图所示,水平光滑绝缘轨道MN的左端有一个固定挡板,轨道所在空间存在E=4.0×102 N/C、水平向左的匀强电场.一个质量m=0.10 kg、带电荷量q=5.0×10-5 C的滑块(可视为质点),从轨道上与挡板相距x1=0.20 m的P点由静止释放,滑块在电场力作用下向左做匀加速直线运动.当滑块与挡板碰撞后滑块沿轨道向右做匀减速直线运动,运动到与挡板相距x2=0.10 m的Q点,滑块第一次速度减为零.若滑块在运动过程中,电荷量始终保持不变,求:
(1)滑块沿轨道向左做匀加速直线运动的加速度的大小;
(2)滑块从P点运动到挡板处的过程中,电场力所做的功;
(3)滑块第一次与挡板碰撞过程中损失的机械能.
正确答案
(1) (2)
(3)
试题分析:(1)设滑块沿轨道向左做匀加速运动的加速度为a
此过程滑块所受合外力
根据牛顿第二定律F=ma,解得.
(2)滑块从P点运动到挡板处的过程中,电场力所做的功.
(3)滑块第一次与挡板碰撞过程中损失的机械能等于滑块由P点运动到Q点过程中电场力所做的功
即.
点评:本题运用功能关系求解分析滑块与挡板碰撞所损失的机械能,也可以根据动能定理分过程求解.
一质量为M=2.0kg的小物块随足够长的水平传送带一起向右匀速运动,被一水平向左飞来的子弹击中,且子弹从小物块中穿过,子弹和小物块的作用时间极短,如图甲所示.地面观察者记录的小物块被击中后的速度随时间变化关系如图乙所示(图中取向右运动的方向为正方向).已知传送带的速度保持不变(g取10m/s2)求:
(1)传送带的速度v的大小;
(2)小物块与传送带之间的动摩擦因数μ;
(3)传送带对小物块所做的功.
正确答案
(1) 2.0m/s (2) 0.2 (3) W=-12J
试题分析:(1)小物块最后与传送带的运动速度相同,
从图象上可读出传送带的速度v的大小为2.0m/s.
(2)由速度图象可得,小物块在滑动摩擦力的作用下做匀变速运动的加速度为
a=Δv/Δt=2.0m/s2
由牛顿第二定律得f=μMg=Ma
得到小物块与传送带之间的动摩擦因数μ==0.2.
(3)从子弹离开小物块到小物块与传送带一起匀速运动的过程中,设传送带对小物块所做的功为W,由动能定理得:
W=ΔEk=-
从速度图象可知:v1=4.0m/s v2=v=2.0m/s
解得:W=-12J.
点评:综合性很强,是一道中档题.解题的关键是正确认识匀变速直线运动的V-t图象.
一个质量是50 kg的人站在升降机的地板上,升降机的顶部悬挂了一个弹簧秤,弹簧秤下面挂着一个质量为m="5" kg的物体A,当升降机向上运动时,他看到弹簧秤的示数为40 N, g取10 m/s2,求此时人对地板的压力。
正确答案
400N 方向竖直向下
试题分析:以A为研究对象,对A进行受力分析如图所示,
选向下的方向为正方向, (1分)
由牛顿第二定律可得:, (2分)
所以, (2分)
再以人为研究对象,他受到向下的重力和地板的支持力
。
仍选向下的方向为正方向,同样由牛顿第二定律可得方程 (2分)
所以。 (2分)
则由牛顿第三定律可知,人对地板的压力为400N,方向竖直向下。 (1分)
点评:中等难度。动力学的两类基本问题(1)已知受力情况求运动情况:已知物体的受力情况,由牛顿第二定律求出物体的加速度,再通过运动学公式就可以确定物体的运动情况.(2)已知运动情况求受力情况:已知物体的运动情况,根据运动学公式求出物体的加速度,再根据牛顿第二定律确定物体所受的力.在处理动力学的两类基本问题时,加速度是联系运动和力的纽带、桥梁.
随着我国经济和科技的发展,通过引进、创先、研发后,我国具有知识产权的大型运输机已试飞成功,此机可在短时间内投放物资和人员进行救灾、抢险和军事活动,能争取更多时间。现有总质量为一架大型喷气式飞机,从静止开始滑跑,当位移达到
时,速度达到起飞速度
,在此过程中飞机受到的平均阻力是飞机重力的0.02倍(
。)求:
(1)飞机起飞时的动能为多大?
(2)飞机起飞时的功率P为多大?
(3)若飞机在整个起飞过程中保持功率不变,当速度为30m/s时加速度为多大?
正确答案
(1)3.78×108J(2)2.52×106W(3)0.2m/s2
试题分析:(1)由题意可得;
,
(2)由题意得,由公式:
(3)由公式:可得:
额定功率为80kW的汽车,在某平直的公路上行驶的最大速度为20m/s,汽车的质量m= 2×103kg,如果汽车从静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为2m/s2,运动过程中阻力不变。求:
(1)汽车所受的恒定阻力是多大?
(2)匀加速直线运动的时间是多少?
(3)匀加速直线运动的位移是多少?
正确答案
(1)f=P/Vm=4×103N(2)t=v1/a=5s(3)S=at2/2=25m
(1)最大速度时P=FVm
f=P/Vm=4×103N (5分)
(2)在匀加速过程中,由牛顿第二定律
F-f=ma
F=f+ma=8×103N (3分)
设当匀加速运动结束时的速度为v1
V1=P/F=10m/s
t=v1/a=5s (5分)
(3)匀加速运动的位移为s
S=at2/2=25m W=FS=2×105J (5分)
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