- 牛顿运动定律
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在光滑水平面上有一质量m=2.0kg的小球,静止在O点,以O点为原点,在该水平面内建立直角坐标系Oxy.现突然加一沿x轴正方向的、平行水平面的恒力F1,F1=3.0N,使小球开始运动,经过1.0s,撤去恒力F1,再经过1.0s,将平行水平面的恒力变为沿y轴正方向,大小为F2=4.0N,使小球在此恒力下再运动1.0s,求此时小球的位置.若要求小球在此后1.0s内停下,则所加的平行水平面的恒力F3的大小和方向如何?(表示方向的角度可用反三角函数表示)
正确答案
(1)第1s内,小球沿x轴正方向做匀加速直线运动,加速度大小为a1==1.5m/s2,第1s末速度为v1=a1t1=1.5m/s,通过的位移为x1=
a1
=0.75m.
第2s内,小球沿x轴正方向做匀速直线运动,速度为v2=1.5m/s,通过的位移为x2=v2t2=1.5m.
第3s内,小球受到恒力大小为F2=4.0N,方向沿y轴正方向,与速度v2方向垂直,小球做类平抛运动,加速度大小为
a2==2m/s2,沿y轴方向做匀加速直线运动,沿x轴方向做匀速直线运动,经过1s时间,小球沿y轴方向的位移大小为y=
a2
=1m,小球沿x轴方向的位移大小为x3=v2t3=1.5m.所以第3s末小球的纵坐标为y=1m,横坐标为x=x1+x2+x3=3.75m.
(2)第3s末小球沿y轴方向的分速度为vy=a2t3=2m/s,沿x轴方向的速度为vx=v2=1.5m/s,合速度大小为v==2.5m/s,设速度方向与x轴的夹角为α,则tanα=
=
,α=arctan
.
要求小球在此后1.0s内停下,加速度大小为a3==2.5m/s2,则合力大小为F=ma3=5N,方向与速度v方向相反.
根据正交分解,将恒力F3分解为沿x轴和y轴方向的两个分力,设两个分力的大小分别为 Fx和Fy.
Fx=Fcosα=5×=4N,
Fy=Fsinα+F2=5×N+3N=6N,
则F3==
N,设方向与x轴负方向的夹角为θ
则有tanθ==1.5,θ=arctan1.5
答:第3s末小球的纵坐标为1m,横坐标为3.75m.要求小球在此后1.0s内停下,所加的平行水平面的恒力F3的大小为N,方向沿x轴负方向的夹角为θ=arctan1.5.
如图所示,质量为lkg的薄木板静止在光滑水平桌面上,薄木板上有一质量为0.5kg的小铁块,它离木板的左端距离为0.5m,铁块与木板间动摩擦因数为0.1.现用水平拉力向右以2m/s2的加速度将木板从铁块下抽出,求:(不计铁块大小,铁块不滚动,取g=10m/s2)
(1)将木板从铁块下抽出需要多长时间?
(2)水平拉力对木板做的功.
正确答案
(1)设木板的加速度为a1,铁块的加速度为a2,抽出所以时间为t,则
对木板:a1=2m/s2,运动位移x1=
1
2
a1t2
对铁块,a2==μg=1m/s2,运动位移x2=
1
2
a2t2
又L=
1
2
a1t2-
1
2
a2t2
解得:t=0.5s
(2)刚抽出时,木板的速度为v1=a1t=2m/s
铁块摩擦力对木板做的功为:W1=-μmgx1=-0.5J
由动能定理得:W+W1=Mv12解得:W=2.5J
答:(1)将木板从铁块下抽出需要1s钟;(2)水平拉力对木板做的功为2.5J.
据中新社2010年3月10日消息,我国将于2011年上半年发射“天宫一号”目标飞行器,2011年下半年发射“神舟八号”飞船并与“天宫一号”实现对接.在“天宫一号”绕地球做匀速圆周运动中,由于失重,因此无法利用天平称出物体的质量.某同学设计了下述实验方法并巧妙地测出了一物块的质量.将一带有推进器、总质量为m=5kg的小车静止放在一平台上,平台与小车间的动摩擦因数为0.005,开动推进器,小车在推进器产生的恒力作用下从静止开始运动,测得小车前进1.25m历时5s.关闭推进器,将被测物块固定在小车上,重复上述过程,测得5s内小车前进了1.00m.则推进器产生的恒力大小为______N,用上述方法测得的物块的质量M为______kg.
正确答案
设推进器产生的恒力大小为F,
由x1=a1t2,a1=
根据牛顿第二定律,得
F-μmg=ma1 F=μmg+m=0.75N
由x2=a2t2,a2=
又F-μ(M+m)g=(M+m)a2
代入解得M=0.77kg
故本题答案是:0.75,0.77
如图所示,质量mA=1.Okg的物块A放在水平固定桌面上,由跨过光滑小定滑轮的轻绳与质量mB=1.5kg的物块B相连.轻绳拉直时用手托住物块B,使其静止在距地面h=0.6m的高度处,此时物块A与定滑轮相距L.已知物块A与桌面间的动摩擦因数μ=0.25,g取1Om/s2.现释放物块B,物块B向下运动.
(1)求物块B着地前加速度的大小及轻绳对它拉力的大小.
(2)股物块B着地后立即停止运动,要求物块A不撞到定滑轮,则L至少多长?
正确答案
(1)设加速度大小为a,轻绳对B拉力的大小为F,根据牛顿第二定律 有
对A:F-μmAg=mAa ①
对B:mBg-F=mBa ②
①②联立代入数据得:a=5m/s2 ③
F=7.5N
(2)设物块B着地前的速率为v,根据运动学公式v2=2ax 有
对A:v2=2ah ④
块B着地后,对B由牛顿第二定律得:μmAg=mAa′⑤
根据运动学公式v2-v02=2ax得:
0-v2=2(-a′)x ⑥
③④⑤⑥联立解得x=1.2m h=0.6m
由题意知:L≥h+x=1.2+0.6m=1.8m
所以,L至少1.8m
答:(1)求物块B着地前加速度的大小为5m/s2,轻绳对它拉力的大小为7.5N.
(2)股物块B着地后立即停止运动,要求物块A不撞到定滑轮,则L至少为1.8m.
如图所示,质量为m的带电小物体,以某一初速度从A点出发,在绝缘水平面上沿直线ABCD运动.已知AB间距离为l1,BC间距离为l2,AC段的动摩擦因数为μ,CD段是光滑的,物体在BC段上运动时还受到竖直向下的电场力Fe的作用,其大小为mg.求
(1)物体m至少具有多大的初速度,物体才能达到CD区域;
(2)若物体m到达C点刚好停止,则从B点运动到C点所需要的时间t.
正确答案
(1)物体能够到达CD区域的临界情况是vC=0.
根据牛顿第二定律知,BC段的加速度a2==
=
μg.
vB2-vC2=2a2l2,则vB2=3μgl2
AB段的加速度a1==
=μg
v02-vB2=2a1l1,则v0=
故物体的初速度v0至少为.
(2)根据匀变速直线运动的速度时间公式得
t==
故物体从B点运动到C点的时间为.
质量为m=1.0kg的小滑块(可视为质点)放在质量为M=3.0kg的长木板的右端,木板上表面光滑,木板与地面之间的动摩擦因数为μ=0.2,木板长L=1.0m.开始时两者都处于静止状态,现对木板施加水平向右的恒力F=l2N,如图所示.为使小滑块不掉下木板,试求:(g取l0m/s2)
(1)用水平恒力F作用的最长时间;
(2)水平恒力F做功的最大值.
正确答案
(1)撤力前后木板先加速后减速,设加速过程的位移为x1,加速度为a1,加速运动的时间为t1;
减速过程的位移为x2,加速度为a2,减速运动的时间为t2.由牛顿第二定律得:
撤力前:F-μ(m+M)g=Ma1,解得:a1=m/s2,
撤力后:μ(m+M)g=Ma2 ,
解得:a2=m/s2x1=
a1
,x2=
a2
为使木块不从木板上掉下,应满足:x1+x2≤L,
又a1t1=a2t2,由以上各式可解得:t1≤1s,
即作用的最长时间为1s.
(2)木板在拉力F作用下的最大位移:x1=a1
=
×
×1m=
m,
所以F做功的最大值:W=Fx1=12×J=8J;
答:(1)用水平恒力F作用的最长时间是1s;
(2)水平恒力F做功的最大值是8J.
一质量为m的物体放置在水平桌面上,它与桌面的动摩擦因数为μ,从静止开始受到大小为F的水平力作用而开始运动,求:(1)物体开始运动时候的加速度;(2)力F作用t时间后撤去,此时物体的速度大小;(3)物体从开始运动到停止时的总位移大小.
正确答案
(1)物体开始运动时,受拉力和摩擦力,加速度为:a1==
-μg
(2)力F作用t时间后撤去,此时物体的速度大小为:v=at=(-μg)t
(3)物体加速阶段的位移为:s1=at2=
t2
减速阶段的加速度:a2=μg
减速末速度为零,故位移为:s2=═
总位移为:s1+s2=
答:
(1)物体开始运动时候的加速度-μg
(2)力F作用t时间后撤去,此时物体的速度大小(-μg)t
(3)物体从开始运动到停止时的总位移大小
一辆载货的汽车,总质量是4.0×103㎏,牵引力是4.8×103N,从静止开始运动,经过10s前进了40m.
求:(1)汽车运动的加速度;
(2)汽车所受到的阻力(设阻力恒定)
正确答案
(1)汽车从静止开始做匀加速运动,则有
s=at2
则得:加速度a==
=0.8m/s2
(2)由牛顿第二定律 F-f=ma
代入得 4800-f=4000×0.8
解得 阻力f=1600N
答:
(1)汽车运动的加速度是0.8m/s2;
(2)汽车所受到的阻力是1600N.
从地面以初速v0竖直上抛一球,设球所受空气阻力的大小恒为重力的k倍(k=0.6),求球的落地速率.
正确答案
设球上升的最大高度为h.
根据动能定理得
上升过程:-(mg+kmg)h=0-m
下降过程:(mg-kmg)h=mv2-0
由题k=0.6
联立解得,v=
答:球的落地速率为.
一个质量为4kg的物体放在水平地面上.现用60N的水平力推此物体,经过2s可达到20m处,若仍用60N的力推此物体,如图所示,求使物体到达20m处时,推力的最短作用时间?
正确答案
第一次:设物体所受的摩擦力为f.
由s=at2得,a=
=10m/s2.
根据牛顿第二定律得,
F-f=ma
解得 f=20N
第二次:设推力的最短作用时间为t1,撤去推力时物体的速度为v,则
撤去推力后物体的加速度大小为a′==5m/s2
由运动学公式得:
+
=s
解得,v=11.5m/s
则t1==1.15s
答:要使物体到达20m处时,推力的最短作用时间为1.15s.
一个物体在倾角为30°的斜面上滑下,若斜面顶端为坐标的原点,其位移与时间的关系为s=(33.5t2+3t+2)cm,式中t的单位为s,则物体下滑的初速度为______m/s,物体与斜面间的动摩擦因数为______.
正确答案
位移时间关系公式x=v0t+at2;
位移与时间的关系为s=(33.5t2+3t+2)cm;
故v0=3cm/s=0.03m/s,加速度a=33.5×2cm/s2=0.7m/s2;
对物体受力分析,受重力、支持力和滑动摩擦力,根据牛顿第二定律,有:
mgsin30°-μmgcos30°=ma
解得:μ=0.5
故答案为:0.03,0.5.
如图所示,A物体质量m1=2kg,长木板B质量m2=1kg,A与B之间μ1=0.4,B与地面之间μ2=0.2,A以初速度v0=6m/s滑上静止的B木板,设B足够长,求
(1)经过多长时间A、B的速度相同?
(2)若A恰好没有从B上滑下,则木板B的长度至少为多少?
(3)A运动的总位移为多大?(取g=10m/s2)
正确答案
(1)A受到重力支持力和摩擦力,摩擦力使它减速,加速度大小:a1=μ1g=4m/s 2
地面对B的摩擦力和A对B的摩擦力,B在水平面上做加速运动.由牛顿第二定律:μ1m1g-μ2(m1+m2)g=m2a2
得:a2=2m/s2
设经过时间t两者速度相等,则:v0-a1t=a2t
代人数据求得:t=1s
(2)两者速度相等时,A的位移:xA=v0t-a1t2=4m
B的位移:xB=a2t2=1m
木板B的长度是它们位移的差:L=xA-xB=3m
(3)两者速度相等时它们的速度:v=a2t=2m/s
地面的摩擦力使它们做减速运动:μ2(m1+m2)g=(m1+m2)a′
a′=μ2g=2m/s2
停下来的位移:x′==1m
A运动的总位移为:x总=xA+x′=5m
答:(1)经过1s时间A、B的速度相同;
(2)若A恰好没有从B上滑下,则木板B的长度至少为3m;
(3)A运动的总位移为5m.
如图,一质量为m=4kg的物体置于水平地面上,物体与地面的动摩擦因数为μ=0.2.现用与水平方向成θ=370角斜向上的拉力F=10N拉物体,使物体做匀加速直线运动t=4s,求
(1)物体所受的合力;
(2)该过程中物体的位移;
(3)该过程中拉力F 所做的功以及其平均功率(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
(1)对物体进行受力分析可知:
竖直方向:FN=mg-Fsinθ
水平方向:F合=Fcosθ-f
f=μFN
代入数据解得:F合=1.2N
(2)根据牛顿第二定律得;
a==
=0.3m/s2
x=at2=
×0.3×16m=2.4m
(3)根据恒力做功公式得:
W=Fxcosθ=10×2.4×0.8J=19.2J
=
=
W=4.8W
答:(1)物体所受的合力为1.2N;
(2)该过程中物体的位移为2.4m;
(3)该过程中拉力F 所做的功19.2J,平均功率为4.8W
科研人员乘气球进行科学考察,气球、座舱、压舱物和科研人员的总质量为900kg.在空中停留一段时间后,科研人员发现气球因漏气而下降,便采取措施及时堵住.堵住时气球下降速度为1m/s,且做匀加速运动,4s内下降了12m.若空气阻力和泄漏气体的质量均可忽略,重力加速度g=10m/s2,求:
(1)漏气后气球下降的加速度
(2)漏气后气球所剩浮力
(3)至少抛掉质量为多少的压舱物才能阻止气球加速下降.
正确答案
(1)由x=v0t+at2得:a=
=1 m/s2
(2)由牛顿第二定律:mg-F=ma 解得 F=8100 N
(3)设抛掉的压舱物的质量为△m时气球匀速下降,则有:F=(m-△m)g
解得:△m=90kg
即至少抛掉质量为90kg的压舱物才能阻止气球加速下降
答:(1)漏气后气球下降的加速度为1 m/s2;
(2)漏气后气球所剩浮力为8100N;
(3)至少抛掉质量为90kg的压舱物才能阻止气球加速下降.
如图,一滑块通过长度不计的短绳拴在小车的板壁上,小车上表面光滑.小车由静止开始向右匀加速运动,经过2s,细绳断裂.细绳断裂后,小车的加速度不变,又经过一段时间,滑块从小车左端掉下,在这段时间内,已知滑块相对小车前3s内滑行了4.5m,后3s内滑行了10.5m.求
(1)小车底板长是多少?
(2)从小车开始运动到滑块离开车尾,滑块相对于地面移动的距离是多少?
正确答案
设小车加速度为a.断裂时,车和物块的速度为v1=at=2a.断裂后,小车的速度v=v1+at,小车的位移
s1=v1t+at2,滑块的位移s2=v1t
前3s,
设后3s初速度为v1′,则小车的位移s1′=v1′t+at2,滑块的位移s2′=v1t
s1′-s2′=3v1′+4.5-3v1=10.5m,解得v1′=4m/s
由此说明后3s实际上是从绳断后2s开始的,滑块与小车相对运动的总时间为t总=5s.
(1)小车底板总长=s车-s滑=v1t总+a
-v1t总=
a
=12.5m
(2)滑块在这段时间内的对地位移,s滑=v1t总=10m
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