- 牛顿运动定律
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如图,水平放置的传送带左侧放置一个半径为R的圆弧光滑轨道,底端与传送带相切。传送带长也为R。传送带右端接光滑的水平面,水平面上静止放置一质量为3m的小物块B。一质量为m的小物块A从圆弧轨道顶端由静止释放,经过传送带后与B发生碰撞,碰后A以碰前速率的一半反弹。A与B碰撞后马上撤去圆弧轨道。已知物块A与传送带的动摩擦因数为μ=0.5,取重力加速度为g,传送带逆时针运动的速度的取值范围为
.求:
(1).物块A滑至圆弧底端P处时对圆弧轨道的压力
(2)求物块A与B碰撞后B的速度.
(3)讨论传送带速度取不同值时,物块A、B碰撞后传送带对物块A做功的大小
正确答案
(1)3mg(2)(3)
试题分析:(1)A下滑,根据动能定理有: 1分
所以: 1分
对A,在 P点,由牛顿第二定律可得: 1分
所以: 1分
又由牛顿第三定律可得:,方向竖直向上 1分
.A从传送带左端滑至右端,根据动能定理有:
解得: 2分
A与B发生碰撞,由动量守恒定律有: 1分
由题意知: 1分
解得B碰后的速度大小为:
方向水平向右 1分
(3)A碰后从传送带右端往左运动,传送带速度为有:
①若传送带速度为,物块A匀速运动,传送带对物块做功为W=0 (2分)
②当传送带的速度为时,物块A滑上传送带后加速,物块能一直加速,则物块最终的速度为
,根据动能定理有:
解得: 2分
故当传送带的速度时,物块一直加速度,不会有共速,摩擦力一直存在,则传送带摩擦力做的功为:
2分
③若传送带的速度时,物块A先加速,后与传送带达到共同速度,即A的末速度为传送带的速度
,由动能定理得:
即:(
) 2分
综上所述,A碰后,传送带对物块A做的功为:
(综述部分不作给分要求)
(12分)不可伸长的轻绳长l=1.2m,一端固定在O点,另一端系一质量为m=2kg的小球。开始时,将小球拉至绳与竖直方向夹角θ=37°的A处,无初速释放,如图所示,取sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2.
(1)求小球运动到最低点B时绳对球的拉力;
(2)若小球运动到B点时,对小球施加一沿速度方向的瞬时作用力F,让小球在竖直面内做完整的圆周运动,求F做功的最小值。
正确答案
(1)F=28N(2)W=55.2J
第二问的分析应从小球能安全通过最高点的最小速度作为解题的突破口。
试题分析:(1)小球从A到B过程中,机械能守恒,有
mgl(1-cos37°)= ①
在B点,由牛顿第二定律有:
F-mg=m ②
联立①②解得:F=28N ③
(2)设小球通过最高点的最小速度为vc,F做功的最小值为W
由牛顿第二定律:mg=m ④
从A到C的过程中由动能定理得
W-mgl(1+cos37°)=-0 ⑤
联立④⑤解得:W=55.2J ⑥
评分标准:本题共12分,其中①②④每式2分,⑤式4分,③⑥每式1分
(13分)如图所示,光滑斜面与水平地面在C点平滑连接,质量为0.4kg的滑块A无初速地沿斜面滑下后,又沿水平地面运动至D点与质量也为0.4kg的小球B发生正碰,碰撞时没有机械能损失,小球B用长为L=0.32m的细绳悬于O点,其下端恰好与水平地面上的D点相切,已知滑块与水平地面间的动摩擦因素为
=0.1,C、D间距LCD=1.4m,碰后B球恰好能在竖直平面内做完整的圆周运动,g=l0m/s2,求:
(1)B球碰后的速度;
(2)滑块A在斜面上滑下时的高度h;
(3)滑块A最终与D点间的距离S。
正确答案
(1)4m/s
(2)0.94m
(3)8m
解:(1)设A和B碰后B的速度为,由机械能守恒和牛顿第二定律
解之: (4分)
(2)设A与B碰前、碰后速度分别为
解
对A:
解之 (5分)
(3)滑块A最终与A的距离:
(4分)
如图所示,A、B两物体相互接触并同时由静止开始沿斜面匀加速滑下.设它们的质量分别为,它们与斜面之间的动摩擦因数为
,斜面倾角为
.试求滑下过程中A、B之间的相互作用力,并指出在什么条件下相互间无作用力,在什么条件下,二物体下滑时将分开?
正确答案
;
如图甲所示,MN、PQ是相距d=l.0m足够长的平行光滑金属导轨,导轨平面与水平面间的夹角为,导轨电阻不计,整个导轨处在方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中,金属棒ab垂直于导轨MN、PQ放置,且始终与导轨接触良好,已知金属棒ab的质量m=0.1kg、其接入电路的电阻
,小灯泡电阻
,重力加速度g取10m/s2。现断开开关S,棒ab由静止释放并开始计时,t=0.5s时刻闭合开关S,图乙为ab的速度随时间变化的图象。求:
(1)金属棒ab开始下滑时的加速度大小、斜面倾角的正弦值;
(2)磁感应强度B的大小。
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)S断开时ab做匀加速直线运动,根据图乙可得:
根据牛顿第二定律可得: ,所以
(2) 时S闭合,ab先做加速度减小的加速运动,当速度达到最大
后做匀速直线运动,根据平衡条件有:
,又因为
,
,
,联立解得:
如图所示,m =4kg的小球挂在小车后壁上,细线与竖直方向成37°角。(sin37°=0.6,cos37°="0.8," g=10m/s2)求:
(1)小车以a=g向右做匀加速直线运动时,细线对小球的拉力F1和后壁对小球的压力F2各多大?
(2)小车以a=2g向右做匀减速直线运动时,细线对小球的拉力F1和后壁对小球的压力F2各多大?
正确答案
(1)F1=50N,F2="70N" (2),F2=0N
试题分析:(1)向右加速时,球在三个共点力作用下向右加速。
由水平方向:F2-F1sin37°=ma
竖直方向:F1cos37°-mg=0,由此得F1=50N,F2=70N
(2)当a=2g时小球必将离开后壁,由水平方向:F1sinθ=ma,竖直方向:F1cos37°-mg=0
由此得,F2=0N。
如图所示,一个带电为+q质量为m的小球,从距地面高h处以一定的初速水平抛出, 在距抛出点L(水平距离)处有根管口比小球稍大的竖直细管,管的上端口距地面h/2。为了使小球能无碰撞地通过管子,可在管子上方整个区域内加一水平向左的匀强电场,
求:(1)小球的初速度
(2)应加电场的场强
(3)小球落地时的动能
正确答案
(1) (2)
方向水平向左 (3)
试题分析:(1)要使小球无碰撞地通过管口,则当它到达管口时,速度方向为竖直向下,而小球水平方向仅受电场力,做匀减速运动到零,竖直方向为自由落体运动.
从抛出到管口,在竖直方向有: 解得:
在水平方向有: 解得:
(2)在水平方向上,根据牛顿第二定律:
又由运动学公式:
解得:,方向水平向左.
(3)小球落地的过程中有重力和电场力做功,根据动能定理得:
即:
解得:
如图所示,小球(可视为质点)带电量为q=1×10-2C,质量为m=2×10-2kg,放在一个倾角为θ=37o的足够长绝缘斜面上。斜面bc部分光滑,其它部分粗糙,且小球与斜面间的动摩擦因数μ=0.5,bc段有一平行斜面向上的有界匀强电场。现让小球从a点由静止释放,经过t=0.3s,到达c点。已知ab的长度为L=4cm,bc的长度为,sin37o=0.6,cos37o=0.8,g=10m/s2。求:
(1)匀强电场场强E的大小;
(2)小球第一次沿斜面向上运动的最高点到b点的距离。
正确答案
(1) 20N/C (2) 0.8m
试题分析: (1) 设匀强电场场强大小为E,则由a到b,
,b点的速度
由b到c,
由题意,t1+t2=t
解得:E=20N/C
(2) 小球到达c点的速度,解得,
设小球第一次沿斜面向上运动的最高点到b点的距离为x,
c到最高点,由动能定理得,
或者,b到最高点,由动能定理得,
解得,cm
(14分)如图所示,在粗糙水平面上有一质量为M、高为h的斜面体,斜面体的左侧有一固定障碍物Q,斜面体的左端与障碍物的距离为d。将一质量为m的小物块置于斜面体的顶端,小物块恰好能在斜面体上与斜面体一起保持静止;现给斜面体施加一个水平向左的推力,使斜面体和小物块一起向左匀加速运动,当斜面体到达障碍物与其碰撞后,斜面体立即停止,小物块水平抛出,最后落在障碍物的左侧p处(图中未画出),已知斜面体与地面间的动摩擦因数为,斜面倾角为
,重力加速度为g,滑动摩擦力等于最大静摩擦力,求:
(1)小物块与斜面间的动摩擦因数;
(2)要使物块在地面上的落点p距障碍物Q最远,水平推力F为多大;
(3)小物块在地面上的落点p距障碍物Q的最远距离。
正确答案
见解析
试题分析:(1)物块恰好静止在斜面上:
解得
(2)要使物块距P点最远,应使物块随斜面体到Q点的速度最大,需要加速度最大
对物块受力分析可得: ①
②
③
由以上三式可解得
对整体列式:
解得:
(3)物块抛出的速度
由平抛规律: x=vt
可解得:
所以P距Q的距离为。
(8分) 如图所示,长度为L的细绳上端固定在天花板上O点,下端拴着质量为m的小球。当把细绳拉直时,细绳与竖直线的夹角为θ=60°,此时小球静止于光滑的水平面上。
(1)当球以角速度做圆锥摆运动时,水平面受到的压力N是多大?
(2)当球以角速度做圆锥摆运动时,细绳的张力T为多大?
正确答案
(1) (2)
试题分析:设小球做圆锥摆运动的角速度为时,小球对光滑水平面的压力恰好为零,此时球受重力mg和绳的拉力T0,应用正交分解法则列出方程:
①
②
由以上二式解得: ③
(1)∵,所以小球受重力mg,绳的拉力T和水平面的支持力N,应用正交分解法列方程:
④
⑤
解得:,
(2)∵,小球离开水平面做圆锥摆运动,设细绳与竖直线的夹角为
,由于球已离开水平面,所以球对水平面的压力
。小球受重力mg和细绳的拉力
,应用正交分解法列方程:
⑥
⑦
解得:,
,
(16分)如图所示,某传送带与地面倾角θ=37o,AB之间距离L1=2.05m,传送带以=1.0m/s的速率逆时针转动。质量为M=1.0kg,长度L2=1.0m的木板上表面与小物块的动摩擦因数μ2=0.4,下表面与水平地面间的动摩擦因数μ3=0.1,开始时长木板靠近传送带B端并处于静止状态。现在传送带上端A无初速地放一个质量为m=1.0kg的小物块,它与传送带之间的动摩擦因数为μ1=0.5,(假设物块在滑离传送带至木板右端时速率不变,sin37o=0.6,cos37 o =0.8, g=10
)。求:
(1)物块离开B点的速度大小;
(2)物块在木板上滑过的距离;
(3)木板在地面上能滑过的最大距离。
正确答案
(1)3m/s (2)0.75m (3)0.75m
试题分析:(1)刚开始物块相对传送带往上滑其加速度为:
a1=gsin37o+μ1gcos37o="10" m/s2 …(1分)
达到传送带速度V0用的时间: t1= V0/ a1=0.1s(1分)
位移: s1="1/2" a1 t12="0.05m" (1分)
过后因μ1〈tan37o 故物块相对传送带往下滑其加速度:
a2=gsin37o-μ1gcos37o="2" m/s2 …(1分)
由s2=L1-s1=(VB2-VO2)/2 a2 …(1分) VB=3m/s (1分)
(2)物块滑上木板相对滑动时做匀减速运动,其加速度:a3=-μ2g=-4 m/s2 (1分)
木板的加速度: a4=〔μ2mg-μ3 (mg+Mg)〕/M="2" m/s2, (1分)
设经过t2物块与木板达到相同速度V2,则 VB + a3 t2= a4 t2 故t2 =0.5s
V2= a4 t2 ="1m/s" …(1分)
物块对地位移: s3="(" V22- VB2)/2 a3="1" m (1分)
木板对地位移: s4= V22/2 a4="0.25m" (1分)
物块在木板上滑过的距离: △s= s3- s4=0.75m (1分)
(3)因μ3μ2物块能与木板保持相对静止,其整体加速度为:a5=-μ3g=-1m/s2, …(1分)
物块与木板做匀减速运动到停止的位移: s5= -V22/2 a5=0.5m (1分)
木板对地的位移: s板= s4 +s5=0.75m (2分)
如图所示,水平放置足够长的电阻不计的粗糙平行金属导轨、
相距为
,三根质量均为
的导体棒
、
、
相距一定距离垂直放在导轨上且与导轨间动摩擦因数均为
,导体棒
、
的电阻均为
,导体棒
的电阻为
。有磁感应强度为
的范围足够大的匀强磁场垂直于导轨平面方向向上。现用一平行于导轨水平向右的足够大的拉力F作用在导体棒
上,使之由静止开始向右做加速运动,导体棒始终与导轨垂直且接触良好,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,忽略导体棒间的相互作用,求:
(1)当导体棒刚开始运动时,导体棒
的速度大小;
(2)当导体棒刚开始运动时撤去拉力F,撤力后电路中产生焦耳热为
,撤去拉力F后导体棒
在导轨上滑行的距离
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)导体棒a 切割磁感线产生的电动势为:
外电路的电阻为:
由闭合电路欧姆定律得:
以导体棒c为研究对象:
由电路知识:
由物体平衡条件:
联立解得:
(2)以导体棒a为研究对象:
由能量守恒定律:
解得: 考点:
(10分)如图所示,AB是一段位于竖直平面内的弧形轨道,高度为h,末端B处的切线沿水平方向。一个质量为m的小物体P(可视为质点)从轨道顶端处A点由静止释放,滑到B点时以水平速度v飞出,落在水平地面的C点,其轨迹如图中虚线BC所示。已知P落地时相对于B点的水平位移OC=l,重力加速度为g,不计空气阻力的作用。
(1)请计算P在弧形轨道上滑行的过程中克服摩擦力所做的功;
(2)现于轨道下方紧贴B点安装一水平传送带,传送带右端E轮正上方与B点相距。先将驱动轮锁定,传送带处于静止状态。使P仍从A点处由静止释放,它离开B点后先在传送带上滑行,然后从传送带右端水平飞出,恰好仍落在地面上C点,其轨迹如图中虚线EC所示。若将驱动轮的锁定解除,并使驱动轮以角速度ω顺时针匀速转动,再使P仍从A点处由静止释放,最后P的落地点是D点(图中未画出)。已知驱动轮的半径为r,传送带与驱动轮之间不打滑,且传送带的厚度忽略不计。求:
①小物块P与传送带之间的动摩擦因数;
②若驱动轮以不同的角速度匀速转动,可得到与角速度ω对应的OD值,讨论OD的可能值与ω的对应关系。
正确答案
(1);
(2)①;
②当0﹤ω﹤时,OD=l;当ω﹥
时,OD=(
;当
﹤ω﹤
时,OD=
。
试题分析:(1)小物块从A到B的过程中有重力和摩擦力对其做功,
故根据动能定理有:(2分)
解得(1分)
(2)① 需要先求出物块在E点的速度;
没有安装传送带时,小物块从B到C的过程,做平抛运动,水平方向有l=vt;
安装传送带后,小物块从E到C的过程沿水平方向有l/2=vEt,二者的竖直高度相等,落下时所用的时间相等,故联立以上两个方程,解得vE=(1分)
设小物块与传送带之间的动摩擦因数为μ,小物块从B到E的过程,根据动能定理有
- (2分)
解得(1分)
②(a)当传送带的速度0﹤v带=ωr﹤vE,
即0﹤ω﹤时,物体在传送带上一直做匀减速运动,物体离开传送带时的速度为vE,则OD=l…(1分)
(b)如果传送带的速度较快,物体在传送带上一直加速而未与传送带共速,则物体的加速度始终为a=设物体离开传送带时的速度为vmax,
根据运动学公式有解得vmax=
当传送带的速度v带=ωr﹥,
即ω﹥时,物体离开传送带点时的速度为vmax,
则OD=+
t=(
…(1分)
(c)当传送带的速度vE﹤v带=ωr﹤vmax,
即﹤ω﹤
时,物体离开传送带点时的速度为v带=ωr,则OD=
+ωrt=
…(1分)
如右图所示,竖直平面内两根光滑细杆所构成的角∠AOB被铅垂线OO′平分,∠AOB=120°.两个质量均为m的小环P、Q通过水平轻弹簧的作用静止在A、B两处,A、B连线与OO′垂直,连线与O点的距离为h,弹簧原长为.现在两小环沿杆向下移动至A′B′,使其在竖直方向上均下移h距离,同时释放两环.整个过程未超出弹簧的弹性限度,重力加速度为g,试求:
(1)弹簧的劲度系数;
(2)释放瞬间两环加速度的大小.
正确答案
(1) (2)g
试题分析:(1)在A、B处,弹簧处于伸长状态,伸长量
由小环P(或Q)受力平衡可知:
根据胡克定律知F=kx.
解之得
.
(2)在A′、B′处,弹簧伸长量
此时弹簧弹力.
由牛顿第二定律知,释放瞬间
解得.
点评:本题根据先后对 小环受力分析,运用共点力平衡条件、牛顿第二定律并结合胡克定律列式分析求解.
如图所示,质量为4kg的小球用细绳拴着吊在行驶的汽车后壁上,绳与竖直方向夹角为37º。已知g = 10m/s2,sin37º=0.6,cos37º=0.8,求:
(1)汽车匀速运动时,细线对小球的拉力和车后壁对小球的压力。
(2)当汽车以a=2m/s2向右匀减速行驶时,细线对小球的拉力和小球对车后壁的压力。
正确答案
(1),
(2)
,
试题分析:(1)匀速运动时,由平衡条件得:
代入数据得:
(2)当汽车以向右匀减速行驶时,由牛顿第二定律得
代入数据得:
点评:本题可以采用正交分解法,竖直方向合外力为零,水平方向列出牛顿第二定律可以求得。
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