- 牛顿运动定律
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如图所示,水平桌面处有水平向右的匀强电场,场强大小E=2×104V/m,A、B是完全相同的两个小物体,质量均为m=0.1kg,电量均为q=2×10-5C,且都带负电,原来都被按在桌面上的P点.现设法使A物体获得和电场E同方向的初速vA0=12m/s,A开始运动的加速度大小为6m/s2,经△t时间后,设法使B物体获得和电场E同方向的初速vB0=6m/s(不计A、B两物体间的库仑力),求:
(1)在A未与B相遇前,A电势能增量的最大值;
(2)小物体与桌面之间的阻力f为多大?
(3)如果要使A尽快与B相遇,△t为多大?
正确答案
(1)∵vA0>vB0,且a相同∴只能在A往返过程中与B相遇
A速度减到零,经过的位移为s==12m,tA=
=2s
△Emax=qEs=2×105×2×104×12 J=4.8J
(2)A释放后:qE+f=ma
得f=ma-qE=0.2N
(3)要使A在最短时间内与B相遇,则对应B减速到零时与A相遇.
B的最大位移:sB==3m 运动时间:tB=
=1s
A返回时:qE-f=ma′
a′==
m/s2=2m/s2
A返回走了s′=s-sB=9m
用时tA′==3s
∴△t=tA+tA′-tB=4s
答:(1)在A未与B相遇前,A电势能增量的最大值为4.8J;
(2)小物体与桌面之间的阻力f为0.2N;
(3)如果要使A尽快与B相遇,△t为4s.
如图1所示,质量为60kg的消防队员从一根固定的竖直金属杆上由静止滑下,经过2.5s时间落到地面上.下滑中消防队员受到的竖直向上的摩擦力随时间变化的情况如图2所示,取g=10m/s2.求:
(1)消防队员下滑过程中的加速度;
(2)消防队员开始下滑时离地面的高度;
(3)消防队员下滑过程中摩擦力对他所做的功.
正确答案
(1)根据牛顿第二定律,消防员在第ls内有mg-f1=ma1
得a1=4m/s2
方向竖直向下
后1.5s内有f2-mg=ma2
得a2=2m/s2
方向竖直向上
(2)消防员在第1s内下滑的高度h1h1=a1
=2m
在1s木的速度为vm:vm=a1t1=4m/s
在后l.5s内下滑的高度h2h2=vmt2-a2
=3.75m
消防队员下滑的高度h
h=h1+h2=5.75m
(3)在第ls内,摩擦力对消防员所做的功Wf1Wf1=-f1h1=-720J
在后1.5s内,摩擦力对消防员所做的功Wf2Wf2=-f2h2=-2700J
消防队员下滑过程中摩擦力对他所做的功Wf.
Wf=Wf1+Wf2=-3420J
答:(1)消防队员向下加速为4m/s2,向下减速的加速度为2m/s2;
(2)消防队员开始下滑时离地面的高度为5.75m;
(3)消防队员下滑过程中摩擦力对他所做的功为-3420J.
如图所示,一质量m=2kg的木块静止于水平地面上.现对物体施加一大小为10N的水平方向拉力.
(1)若地面光滑,求物体运动的加速度大小;
(2)若物体与地面间动摩擦因数μ=0.1,求物体的加速度大小和过2s物体的位移大小. (g=10m/s2)
正确答案
(1)对木块受力分析如图所示,
据牛顿第二定律,F=ma,
解得 a==5m/s2
(2)对木块受力分析如图2所示,根据牛顿第二定律有,
F-f=ma,
又f=μN=μmg=2N,
所以,a==4m/s2
所以经过2s物体的位移x=at2=8m,
答:(1)若地面光滑,求物体运动的加速度大小为5m/s2 ;
(2)物体的加速度大小为4m/s2,位移的大小为8m.
一圆环A套在一均匀圆木棒B上,A的高度相对B的长度来说可以忽略不计.A和B的质量都等于m,A和B之间的滑动摩擦力为f(f<mg).开始时B竖直放置,下端离地面高度为h,A在B的顶端,如图所示.让它们由静止开始自由下落,当木棒与地面相碰后,木棒以竖直向上的速度反向运动,并且碰撞前后的速度大小相等.设碰撞时间很短,不考虑空气阻力,问:在B再次着地前,要使A不脱离B,B至少应该多长?
正确答案
释放后A和B相对静止一起做自由落体运动,设落地时的速度为V1,
由V12=2gh可得,
B着地前瞬间的速度为 v1=,
B与地面碰撞后,A继续向下做匀加速运动,B竖直向上做匀减速运动.它们加速度的大小分别为:
aA= 和 aB=
B竖直向上做匀减速运动的时间为t1
由V=V0+at1 得 t1=,
B再次向下运动时,由于B的速度小于A的速度,所以B受得摩擦力仍然向下,加速度于竖直向上运动的加速度相同,
所以再次回到地面时的时间与上升的时间相同,
所以B与地面碰撞后向上运动到再次落回地面所需时间为 t=
在此时间内A的位移 x=v1t+aAt2
要在B再次着地前A不脱离B,木棒长度L必须满足条件 L≥x
联立以上各式,解得 L≥
答:B的长度至少应该是 .
如图所示,质量m=2kg的物体静止于水平地面的A处,A、B间距L=20m.用大小为30N,沿水平方向的外力拉此物体,经t0=2s拉至B处.(取g=10m/s2)
(1)求物体与地面间的动摩擦因数μ;
(2)该外力作用一段时间后撤去,使物体从A处由静止开始运动并能到达B处,求该力作用的最短时间t.
正确答案
(1)物体做匀加速直线运动,则L=at02,
所以a==
=10m/s2,
由牛顿第二定律得F-f=ma,又f=μmg,解得:μ=0.5
(2)力F作用时,a1=a,
a1t12+
μgt22=L
t2==2t1联立以上各式,代入数据,解得t1=
s.
答:(1)物体与地面间的动摩擦因数为0.5;
(2)该力作用的最短时间为s.
以某一速度沿正常的平直公路匀速行驶的汽车,进入冻雨路面后,交警提示司机必须以原速的一半行驶.司机发现,即使以原速的一半行驶,紧急刹车后的刹车距离仍然达到正常路面紧急刹车距离的两倍.已知该车在正常路面上刹车时的加速度大小为8m/s2,取g=10m/s2,求:
(1)汽车在正常路面上刹车时与地面间的动摩擦因数μ
(2)该车在冻雨路面上刹车时的加速度大小
(3)若汽车在冻雨路面上刹车距离不得超过8m,则汽车在冻雨路面上行驶的最大速度.
正确答案
(1)根据牛顿第二定律,有:μmg=ma
解得:μ==
=0.8
(2)由题意知,在正常路面上时:0-V2=-2as,
在冻雨路面上时:0-()2=-2a′×2s
解得:a′==1m/s2.
(2)在冻雨路面上时:0-Vm2=-2a′s′,
得:Vm==
=4m/s.
答:(1)汽车在正常路面上刹车时与地面间的动摩擦因数μ为0.8;
(2)在冻雨路面上刹车时的加速度大小为1m/s2;
(3)卡车在冻雨路面上的行驶速度最大不得超过4m/s.
质量为0.5kg的物体静止在水平面上,受到一个大小为3N的水平拉力F作用后开始运动,运动中所受滑动摩擦阻力为2N,此拉力F作用力2s后,其大小变为1N而方向不变,继续拉物体运动,直到物体停止在水平面上.求
(1)物体在改变拉力大小后,还能运动多长时间?
(2)物体总位移为多大?
(3)全过程中拉力F对物体所做的总功?
(4)拉力F的最大功率为多大?
正确答案
(1)根据牛顿第二定律得:
当拉力为3N时的加速度a1==
=2m/s2
当拉力为1N时的加速度a1==
=-2m/s2
2s末的速度v1=a1t=4m/s
改变拉力后的时间t2==2s
(2)匀加速运动的位移x1=
1
2
a1t12=4m
匀减速运动的位移x2=-
1
2
a2t22=4m
所以总位移为8m
(3)全过程中拉力F对物体所做的总功W=F1x1+F2x2=3×4+1×4=16J
(4)2s末的速度最大,力F也最大,所以拉力F的最大功率P=Fv=3×4=12W
答:(1)物体在改变拉力大小后,还能运动2s;
(2)物体总位移为8m;
(3)全过程中拉力F对物体所做的总功为16J;
(4)拉力F的最大功率为12W.
晓晗同学觉得去新疆玩,最刺激的莫过于滑沙运动.当晓晗蹲在滑沙板上从沙坡斜面的顶端由静止沿直线下滑到达斜面底端时,速度为2v0.
(1)若晓晗在斜面顶端被其他人推了一把,沿斜面以v0的初速度下滑,则晓晗到达斜面底端的速度多大?
(2)晓晗估测到沙坡长L,约为坡高的2倍(即斜面倾角约30°),已知晓晗质量为m,则晓晗沿沙坡下滑时所受的平均阻力约多大?
正确答案
(1)对人进行受力分析如图所示
根据匀变速直线运动的规律v2-v02=2ax有:
由静止沿直线下滑到达斜面底端时:(2v0)2-0=2aL,
沿斜面以v0的初速度下滑时:v12-v02=2aL,可解得:v1=v0;
(2)由静止沿直线下滑到达斜面底端时,根据动能定理有:mgLsinα-FfL=m(2v0)2
解得Ff=mgsinα-=
-
答:(1)则晓晗到达斜面底端的速度为v0
(2)晓晗沿沙坡下滑时所受的平均阻力约-
.
质量为200kg的物体置于升降机内的台秤上,从静止开始上升,运动过程中台秤示数F与时间t的关系如图所示.求各段时间内升降机的加速度和整个过程中升机上升的高度(g取10m/s2).
正确答案
0-2s内 F1=3000N,
由牛顿第二定律得:F1-mg=ma 解得:a=5m/s2方向竖直向上
位移X1=a1
=10m,
2s-5s内,a=0
位移X2=V1t=a1t1t2=30m;
5s-7s 内 F3=1000N
由牛顿第二定律得:F3-mg=ma2 解得:a2=-5m/s2方向竖直向下
位移X3=v1t3+a3
=10m
整个过程上升的高度H=X1+X2+X3=50m
答:0-2s内加速度大小为5m/s2方向竖直向上;2s-5s内,a=0;5s-7s 内加速度大小为5m/s2方向竖直向下;整个过程中升机上升的高度为50m.
如图所示,物块A(可视为质点)从O点水平抛出,抛出后经0.6s抵达斜面上端P处时速度方向与斜面平行.此后物块紧贴斜面向下运动,又经过2s物块到达斜面底端时的速度为14m/s.已知固定斜面的倾角θ=37°(且sin37°=0.6,cos37°=0.8),g取10m/s2.试求:
(1)抛出点O与P点的竖直距离h;
(2)物块A从O点水平抛出的初速度v0;
(3)物块与斜面之间的动摩擦因数μ.
正确答案
(1)物块A从O点水平抛出做平抛运动,竖直方向做自由落体运动,则h=gt2=
×10×0.62=1.8m
(2)0.6s时物A竖直方向的分速度vy=gt=6m/s
因为,=tan37°
所以,v0=8m/s
(3)物块在P点的速度为v==10m/s 又a=
=2m/s2
根据牛顿第二定律得mgsinθ-f=ma
f=μN
代入得a=gsinθ-μgcosθ
联立上式可得:μ=0.5
答:(1)抛出点O与P点的竖直距离h=1.8m;
(2)物块A从O点水平抛出的初速度v0=8m/s;
(3)物块与斜面之间的动摩擦因数μ=0.5.
一个物体的质量是 50kg,从静止开始沿斜面匀加速滑下,斜面的倾角θ=37°.在 t=2s的时间内滑下的路程x=8m,求物体与斜面之间的动摩擦因数.(取g=10m/s2.sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
由x=at2,a=
=
=4m/s2.
根据牛顿第二定律,得F合=ma=50×4N=200N
对物体进行受力分析,运用正交分解得:N=mgcosθ=500×0.8=400N.
mgsinθ-f=ma,
f=mgsinθ-ma=500×0.6-200=100N
所以μ==0.25.
滑雪者及滑雪板总质量m=75kg,以v0=2.0m/s的初速度沿山坡匀加速滑下,山坡的倾角θ=30°,在t=5.0s的时间内滑下的距离s=60m.设阻力的大小不变,重力加速度g取10m/s2,求:
(1)滑雪人下滑加速度的大小;
(2)滑雪板及人受到的阻力的大小.
正确答案
(1)设滑雪的人下滑的加速度大小为a,根据运动学公式s=v0t+at2
得:a=
解得:a=4.0m/s2
(2)设滑雪板及人受到的阻力为f,沿斜面方向由牛顿第二定律得:
mgsinθ-f=ma
即:f=mg sinθ-ma.
解得:f=75N
答:(1)滑雪人下滑加速度的大小为4.0m/s2;
(2)滑雪板及人受到的阻力的大小为75N.
如图所示,质量m=2kg的物体原静止在水平地面上,物体与地面间的动摩擦因数μ=0.75,一个与水平方向成37°角斜向上、大小F=20N的力拉物体,使物体匀加速运动,2s后撤去拉力.求物体在地面上从静止开始总共运动多远才停下来?(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2)
正确答案
开始时物体受重力、支持力、摩擦力、拉力作用.
竖直方向上 ΣFy=N+Fsin37°-mg=0…①
由①得 N=mg-Fsin37°…②
水平方向上 ΣFx=Fcos37°-μN…③
所以 Fcos37°-μ(mg-Fsin37°)=ma1
a1==
=5m/s2
头2s物体的位移 S1=a1t2=
×5×22m=10m
第2s末物体的速度 v=a1t=10m/s
拉力撤去后,摩擦力 f=μmg
设加速度大小为a2 a2==μg=7.5m/s2
位移S2==
m=6.7m
总位移S=S1+S2=16.7m
答:物体在地面上从静止开始总共运动16.7m.
如图所示,长L=1.3m,质量M=5.0kg的平板小车A静止在光滑的水平面上,小车左端放有质量m=1.0kg的木块B(可以看作质点),木块B与小车A之间的动摩擦因数μ=0.20,现用水平恒力F拉动木块B在小车A上滑行.求:
(1)木块B在平板小车A上滑行时,小车A的加速度大小及方向;
(2)若F=5N,则木块B和小车A脱离时的速率分别是多少;
(3)从木块B刚开始运动到A、B脱离的过程中,水平恒力F对木块B所做的功.
正确答案
(1)小车A受力如图所示,重力Mg、水平面的支持力FN1,木块的压力FN2、水平向右的滑动摩擦力F1.
设小车的加速度为a1
根据牛顿第二定律得 F1=Ma1,
又F1=μFN2
木块B的受力如图所示,重力mg、木块的支持力FN2、水平向左的滑动摩擦力F1和水平力F,且竖直方向力平衡,有mg=FN2、
联立以上三式得 a1=
代入解得,a1=0.4m/s2,方向水平向右.
(2)当水平恒力F=5N时:
根据牛顿第二定律,设小木块B的加速度为a2
对木块B 有F-F1=ma2
代入数据,小木块B的加速度 a2=3.0 m/s2
设小木块B从小车A的右端与A脱离时,经历的时间为t,A的位移为s,速率为vA,B的位移为(s+L),速率为vB.
由于A、B均做初速度为零的匀加速直线运动,有
s+L=a2t2,vA=a1t,vB=a2t
代入解得,s=0.20m,s+L=1.5m,t=1s,vA=0.4m/s,vB=3m/s
(3)水平恒力F所做的功为W=F(s+L)=7.5J
答:
(1)木块B在平板小车A上滑行时,小车A的加速度大小为0.4m/s2,方向水平向右.
(2)若F=5N,木块B和小车A脱离时的速率分别是4m/s和3m/s;
(3)从木块B刚开始运动到A、B脱离的过程中,水平恒力F对木块B所做的功为7.5J.
质量为1.4kg的物体在水平拉力F作用下由静止开始运动,经过一段时间后撤去外力,在物体运动过程中每隔0.2秒测其速度如下表所示,当地重力加速度10m/s2,试根据下列数据求出
(1)水平拉力F大小.
(2)水平面的动摩擦因数μ.
(3)物体在全过程的最大速度vmax和经过的位移s.
正确答案
(1、2)匀加速直线运动的加速度a1=m/s2=5m/s2,匀减速直线运动的加速度大小a2=
m/s2=2m/s2.
根据牛顿第二定律得,F-f=ma1,f=ma2,
解得F=9.8N,f=2.8N.
则动摩擦因数μ==
=0.2.
(3)由表格中的数据可知,物体匀减速运动到零的时间t=2.1s.
设匀加速直线运动的时间为t1,有a1t1=a2(t-t1),解得t1=0.6s
则最大速度vmax=a1t1=3m/s.
经过的位移s=t1+
(t-t1)=
t=3.15m/s.
答:(1)水平拉力F的大小为9.8N.
(2)水平面的动摩擦因数μ=0.2.
(3)物体在全过程的最大速度为3m/s,经过的位移为3.15m.
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