- 牛顿运动定律
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(10分)如图所示,质量为M=2kg的箱子放在水平面上,质量均为m=1kg的带异种电荷的小球a、b用绝缘细线分别系于上、下两边的对称位置。小球均处于静止状态,球b所受细线的拉力=10N。剪断连接球b的细线后,小球b上升过程到箱子的中间位置时(已知g=10m/s2),
求:(1)小球b的加速度大小(2)此时箱子对地面压力
正确答案
试题分析:(1)ab两球带异种电荷相互吸引,设库仑力为F1。
未剪断细线时,b球平衡
由 (2分)
当b球上升至箱子中间位置时,库仑力 (2分)
由
解得: (1分)
(2)以小球a和箱子为研究对象,设地面支持力为FN
由 (2分)
解得: (2分)
由牛顿第三定律,箱子对地面压力为110N (1分)
如图所示,有一块木板静止在光滑且足够长的水平面上,木板质量为M=4kg,长为L=1.4m;木板右端放着一小滑块,小滑块质量为m=1kg,其尺寸小于L。小滑块与木板之间的动摩擦因数为
(1)现用恒力F作用在木板M上,为了使得m能从M上面滑落下来,问:F大小的范围是什么?
(2)其它条件不变,若恒力F=22.8牛顿,且始终作用在M上,最终使得m能从M上面滑落下来。问:m在M上面滑动的时间是多大?
正确答案
(1)大于20N (2)2s
(1)小滑块与木板间的滑动摩擦力
小滑块在滑动摩擦力f作用下向右匀加速运动的加速度
木板在拉力F和滑动摩擦力f作用下向右匀加速运动的加速度
使m能从M上面滑落下来的条件是
即
(2)设m在M上滑动的时间为t,当恒力F=22.8N,木板的加速度
)
小滑块在时间t内运动位移
木板在时间t内运动位移
因
即
(4分)一个质量为50kg木箱A,放在水平地面上,要将它运送到90m远处的施工现场。如果用450N的水平恒力使A从静止开始运动,经过6s钟可到达施工现场。
(1)求木箱与地面间的动摩擦因数。
(2)若用大小为450N,方向与水平方向夹角为α(cosα=0.8)斜向上的拉力拉木箱A从静止开始运动,使木箱A能够到达90m远处的施工现场,拉力至少做多少功?(运动过程中动摩擦因数处处相同,取,结果保留2位有效数字)。
正确答案
0.4 1.4×104J
试题分析:(1)将重物看作是质量为m的质点,设:拉力为F,阻力为f,时间为t,位移为s,加速度为a,动摩擦因数为μ。
第一个运动过程中,有:F-f=ma,F=μN,N=mg,
四式联立,代入数据,解是:μ=0.4
(2)第二个过程中,有:
使重物能够到达90m远,即:撤去拉力后重物滑行至90m远,此时刚好速度为零。
由:
得拉力做功为1.4×104J
(10分)一端弯曲的光滑绝缘杆ABD固定在竖直平面上,如图所示,AB段水平,BD段是半径为R的半圆弧,有一电荷量为Q的正点电荷固定在圆心O点。一质量为m、电荷量为q的带正电小环套在光滑绝缘杆上,在大小为F的水平恒力作用下从C点由静止开始运动,到B点时撤去恒力,小环继续运动到达D点,已知CB间距为4R/3。(提示:根据电磁学有关知识,在某一空间放一电荷量为Q的正点电荷,则距离点电荷为r的某点的电势为,其中k为静电力常量,设无穷远处电势为零)。
(1)定性说明从C运动到D过程小环的电势能如何变化
(2)小环在C点时加速度为多大
(3)求水平恒力F的最小值。
正确答案
(1)从C运动到B过程电势能增大;从B运动到D过程电势能不变。
(2)
(3)
试题分析:(1)从C运动到B过程电场力对小环做负功,电势能增大; (1分)
从B运动到D过程电场力不做功,电势能不变。 (1分)
(2)对小环受力分析如图,由牛顿第二定律,小环在C点时加速度a满足
(3分)
(1分)
(3)小环刚好运动到达D点,水平恒力F的最小
C、D两点的电势差 (1分)
从C运动到D过程中由动能定理
(2分)
解得水平恒力F的最小值 (1分)
(15分)如图所示,现在有一个小物块,质量为m=80g,带上正电荷q=210-4C。与水平的轨道之间的滑动摩擦系数m =0.2,在一个水平向左的匀强电场中,E=103V/m,在水平轨道的末端N处,连接一个光滑的半圆形轨道,半径为R=40cm,取g =10m/s2,求:
(1)小物块恰好运动到轨道的最高点,那么小物块应该从水平哪个位置释放?
(2)如果在上小题的位置释放小物块,当它运动到P(轨道中点)点时对轨道的压力等于多少?
正确答案
(1)距N处为15.25m处开始释放 (2)3N
试题分析:(1)物块能通过轨道最高点的临界条件是
解得v="2m/s"
设小物块释放位置距N处为s
解得s=15.25m,即小物块应该从在水平位置距N处为15.25m处开始释放
物块到P点时, 解得
(2) 解得FN=3.0N 由牛顿第三运动定律可得物块对轨道的压力:
如图所示,轻杆长为3L,在杆的A、B两端分别固定质量均为m的球A和球B,杆上距球A为L处的点O装在光滑的水平转动轴上,杆和球在竖直面内转动,已知球B运动到最高点时,球B对杆恰好无作用力.
求:(1)球B在最高点时,杆对水平轴的作用力大小.
(2)球B转到最低点时,球B的速度是多大?
正确答案
(1)1. 5 mg.(2)
试题分析:(1)球B在最高点时速度为v0,有,
得.
此时球A的速度为,
设此时杆对球A的作用力为FA,则
A球对杆的作用力为
水平轴对杆的作用力与A球对杆的作用力平衡,再据牛顿第三定律知,杆对水平轴的作用力大小为
F0="1." 5 mg.
(2)设球B在最低点时的速度为,取O点为参考平面,据机械能守恒定律有
解得
(10分)如图所示,光滑水平面上静止放置着一辆平板车A。车上有两个小滑块B和C(都可视为质点),B与车板之间的动摩擦因数为μ,而C与车板之间的动摩擦因数为2μ,开始时B、C分别从车板的左、右两端同时以大小相同的初速度v0相向滑行。经过一段时间,C、A的速度达到相等,此时C和B恰好发生碰撞。已知C和B发生碰撞时两者的速度立刻互换,A、B、C三者的质量都相等,重力加速度为g。设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力。 求:
(1)开始运动到C、A的速度达到相等时的时间t;
(2)平板车平板总长度L;
(3)若滑块C最后没有脱离平板车,求滑块C最后与车相对静止时处于平板上的位置。
正确答案
(1),(2)
;(3)滑块C最后停在车板右端
试题分析:(1)设A、B、C三者的质量都为m,从开始到C、A的速度达到相等这一过程所需的时间为t,对C由牛顿运动定律和运动学规律有:,
对A由牛顿运动定律和运动学规律有:
,
联立以上各式解得:
(2)对C,在上述时间t内的位移:
对B,由牛顿运动定律和运动学规律有:,
,
C和B恰好发生碰撞,有:
解得:
(3)对A,在上述时间t内的位移:
将t代入以上各式可得A、B、C三者的位移和末速度分别为:
(向左),
(向右),
(向左)
(向左),
(向右)
所以:C相对A向左滑动的距离:
骣B发生碰撞时两都速度立即互换、则碰后C、B的速度各为:
(向右),
(向左)
碰后B和A的速度相等。由分析可知,碰后B和A恰好不发生相对滑动,即保持相对静止一起运动。设C最后停在车板上时,共同速度为vt,由A、B、C组成的系统动量守恒可知:
解得:vt=0
这一过程中,设C相对于A向右滑行的距离为S2,由能量关系可知:
解得:
所以:滑块C恰好回到原来的位置,即滑块C最后停在车板右端。
(14分)如图所示,高为0.3m的水平通道内,有一个与之等高的质量为M=1.2kg表面光滑的立方体,长为L=0.2m的轻杆下端用铰链连接于O点,O点固定在水平地面上竖直挡板的底部(挡板的宽度可忽略),轻杆的上端连着质量为m=0.3kg的小球,小球靠在立方体左侧。取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。
(1)为了使轻杆与水平地面夹角=37°时立方体平衡且不动,作用在立方体上的水平推力F1应为多大?
(2)若立方体在F2=4.5N的水平推力作用下从上述位置由静止开始向左运动,则刚要与挡板相碰时其速度多大?
(3)立方体碰到挡板后即停止运动,而轻杆带着小球向左倒下碰地后反弹恰好能回到竖直位置,若小球与地面接触的时间为t=0.05s,则小球对地面的平均冲击力为多大?
(4)当杆回到竖直位置时撤去F2,杆将靠在立方体左侧渐渐向右倒下,最终立方体在通道内的运动速度多大?
正确答案
(1)(2)0.8m/s(3)27.9N(4)
。
试题分析:(1)(3分)对小球有:
由上式得:
由牛顿第三定律及平衡条件,对立方体有:
(2)(3分)
对小球及立方体有:
=m/s =0.8m/s
(3)(4分)设小球碰地的速度为v2 ,有
m/s =2.15m/s
设小球碰地后反弹的速度为v3,则有
2m/s
对小球的碰地过程,根据牛顿第二定律有
N=mg+
由牛顿第三定律,小球对地面的平均冲击力大小为27.9N
(4)(4分)设杆靠在立方体向右倒下与地面的夹角为θ时小球与立方体分离,此时小球与立方体的速度分别为v和V,可有
代入数据整理后可得
联立上述方程可解得 。
点评:本题难度较大,本题为力学综合题目,明确考查的知识点是关键,对于平均冲力有两种求法,根据动能定理或动量定理,如果题目中给出时间一般情况下应用动量定理,本题就是这样
(10分)如图甲所示,质量为m=1kg的物体置于倾角为θ=37°的固定且足够长的斜面上,对物体施以平行于斜面向上的拉力F,t1=1s时撤去拉力,物体运动的部分v-t图象如图乙所示。试求:
(1)拉力F的大小;
(2) 物体和斜面的滑动摩擦因数μ的大小。(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
F=30N,μ=0.5
试题分析:有力F作用时 F-mgsinθ-μmgcosθ=ma1,2分
撤去力后,mgsinθ+μmgcosθ=ma2,2分
由速度时间关系图得:a1=20m/s2, 1分
a2=10m/s2, 1分
解得F=30N,μ=0.5 2分
点评:做此类型的题,需要根据受力分析,列出第二定律的等式,然后结合图像求解加速度,即可
如图所示,一个质量为mA=5kg、长L=1.8m的平板A静止在光滑的水平桌面上。在平板的左端放置一个质量为mB=1kg的小滑块B,平板与小滑块之间的动摩擦因数为μ=0.2。现在B上作用一水平向右的恒力F=4N,求(g=10m/s2):
(1)平板A和小滑块B的加速度分别是多大?
(2)经过多长时间小滑块将从平板上滑下来?
正确答案
(1)= 0.4m/s2
=2m/s2 (2)t=1.5s
试题分析:(1)平板A和小滑块B加速度分别为、
,
小滑块B受支持力、重力
g、摩擦力Ff 、拉力F。
由牛顿第二定律,有
F-Ff=mBaB …………(1分)
-mBg=0 …………(1分)
Ff= …………(1分)
又Ff=μ …………(1分)
联立上述方程,带入数据得
= 0.4m/s2
=2m/s2 …………(2分)
(2)经时间t小滑块B从平板A上滑下来。
由运动学公式,有
…………(4分)
代入数据,得t=1.5s。 …………(2分)
点评:本题学生明确AB都做匀加速直线运动,B的加速度大于A的加速度,位移关系可画出两物体的运动示意图,结合图去分析物体。
如图所示,AB为半径的1/4光滑圆弧轨道,下端B恰好与长度
的小车右端平滑对接,小车质量
。现有一质量
的小滑块,由轨道顶端无初速释放,滑到B端后冲上小车。已知地面光滑,滑块与小车上表面间的动摩擦因数
。(g=10m/s2)
试求:(1)滑块到达B端时,它对轨道的压力。
(2)经多长时间滑块从小车左端滑落。
正确答案
(1)30N 向下 (2)0.4s
试题分析:(1)设滑块到B端是速度为V
根据题意: (2分)
在B点满足: (2分)
其中为滑块在B点受到的支持力
带入数据得:,
(2分)
根据牛顿第三定律,=
=30N,方向竖直向下。
(2)滑块滑上小车后滑块做匀减速运动,小车从静止开始做匀加速运动,加速度大小为a1、a2并满足:
(2分)
带入数值后求得
(2分)
带入数值后求得
当满足下述条件时滑块脱落:
(2分)
带入数值后求得:,(另一解
不和题意,舍弃)。 (2分)
(14分)如图所示,光滑绝缘半球槽的半径为,处在水平向右的匀强电场中,一质量为
的带电小球从槽的右端A处无初速沿轨道滑下,滑到最低位置B时,球对轨道的压力为
.求:
(1)小球受到电场力的大小和方向;(2)带电小球在滑动过程中的最大速度。
正确答案
(1) ,方向水平向右 (2)
试题分析:(1)设小球运动到最低位置B时速度为,此时
由题意:
解得:
设电场力大小为,电场力做功为
,小球从A处沿槽滑到最底位置B的过程中,
根据动能定理得:
联立解得:
所以此过程中电场力做负功,则电场力方向水平向右,由,得电场力大小为
(2)小球在滑动过程中最大速度的条件:是小球沿轨道运动过程某位置时切向合力为零,设此时小球和圆心间的连线与竖直方向的夹角为,如图所示:
则得:
小球由A处到最大速度位置得过程中,由动能定理得:
解得:
(16分)如图所示,半径为R的光滑圆周轨道固定在竖直面内,轨道底部有一质量为的小球,以初速度
沿轨道向上运动,求:
(1)小球运动到轨道最高点C时对轨道的压力大小?
(2)若大小可调节,小球在运动过程中出现脱轨现象,则
的大小范围?
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)小球从A点到C点,由机械能守恒定律: (2分)
得: (1分)
在C点,由牛顿第二定律: (2分)
解得: (1分)
由牛顿第三定律可得,小球对轨道的压力为 (1分)
(2)小球脱轨现象只能出现在BC段,即小球能过B点,但不能到达C点
小球恰到B点,小球在A点的速度为,
,得:
(2分)
小球恰到C点,小球在A点的速度为,
(3分)
得:
(3分)
则小球在运动过程中出现脱轨现象,的大小范围为
(1分)
分如图所示,质量为m=lkg的小物块由静止轻轻放在水平匀速运动的传送带上,从A点随传送带运动到水平部分的最右端B点,经半圆轨道C点沿圆弧切线进入竖直光滑的半圆轨道,恰能做圆周运动。C点在B点的正上方,D点为轨道的最低点。小物块离开D点后,做平抛运动,恰好垂直于倾斜挡板打在挡板跟水平面相交的E点。已知半圆轨道的半径R=0.9 m,D点距水平面的高度h =0.75 m,取g="10" m/s2,
试求:
(1)摩擦力对物块做的功;
(2)小物块经过D点时对轨道压力的大小;
(3)倾斜挡板与水平面间的夹角θ。
正确答案
(1)摩擦力对物块做的功为4.5J;(2)小物块对轨道的压力大小为60N;倾斜挡板与水平面的夹角为θ为60°。
试题分析: 设小物块经过C点时的速度大小,因为经过C时恰好能完成圆周运动,由牛顿第二定律可得:
;解得
=3m/s;
小物块由A到B过程中,设摩擦力对小物块做的功为W,由动能定理得:
,解得W=4.5J
故摩擦力对物块做的功为4.5J.
设小物块经过D点时的速度为,对由C点到D点的过程,由动能定理的:
小物块经过D点时,设轨道对它的支持力大小为,由牛顿第二定律得:
联立解得=60N,
=3
m/s
由牛顿第三定律可知,小物块对轨道的压力大小为60N
小物块离开D点做平抛运动,设经时间t打在E点,由
设小物块打在E点时速度的水平、竖直分量分别为,
=
=gt
又tanα==
联立解得α=60°
再由几何关系可得θ=α=60°
故倾斜挡板与水平面的夹角为θ为60°.
如图所示,遥控赛车比赛中一个规定项目是“飞跃壕沟”,比赛要求:赛车从起点出发,沿水平直轨道运动,在B点飞出后越过“壕沟”,落在平台EF段。已知赛车的额定功率=10.0W,赛车的质量m=1.0kg,在水平直轨道上受到的阻力f=2.0N,AB段长L=10.0m,BE的高度差h=1.25m,BE的水平距离x=1.5m。若赛车车长不计,忽略空气阻力,g取10m/s2.
(1)若赛车在水平直轨道上能达到最大速度,求最大速度vm的大小;
(2)要越过壕沟,求赛车在B点最小速度v的大小;
(3)若在比赛中赛车通过A点时速度vA=1m/s,且赛车达到额定功率。要使赛车完成比赛,求赛车在AB段通电的最短时间t.
正确答案
(1)m/s (2)
m/s (3)
s
试题分析:(1)赛车在水平轨道上达到最大速度时,设其牵引力为F牵,根据牛顿第二定律有:
①(1分)
又 ②(1分)
解得 m/s (2分)
(2)赛车通过B点后做平抛运动,设在空中运动时间为t1,则有:
③(1分)
④(1分)
解得:m/s (2分)
(3)若赛车恰好能越过壕沟,且赛车通电时间最短,从A运动到B过程,根据动能定理有:
⑤(2分)
解得:s (2分)
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