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简答题

如图1所示,在水平面上固定有长为L=2m、宽为d=1m的金属“U”型导轨,在“U”型导轨右侧l=0.5m范围内存在垂直纸面向里的匀强磁场,其磁感应强度随时间变化的规律如图2所示.在t=0时刻,质量为m=0.1kg的导体棒以v0=1m/s的初速度从导轨的左端开始向右运动,导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ=0.1,导轨与导体棒单位长度的电阻均为λ=0.2Ω/m,不计导体棒与导轨之间的接触电阻及地球磁场的影响.求:

(1)导体棒从t=0时刻开始向右运动直至末速为零所需的时间;

(2)导体棒从t=0时刻开始向右运动直至末速为零时离左端的位置;

(3)4s内回路中电流的大小,并判断电流方向;

(4)4s内回路产生的焦耳热.

正确答案

(1)根据牛顿第二定律得:

-μmg=ma,a=-μg=-1m/s2

导体棒从t=0时刻开始向右运动直至末速为零所需的时间为  t==1s,

(2)此过程导体棒通过的位移为 x=v0t+at2=0.5m<L-l,说明导体棒还没有进入磁场.

(3)前2秒内无电流,后2秒内,由楞次定律判断得知,电流方向为顺时针方向.

由图知,=T/s=0.2T/s

感应电动势为E==•ld=0.2×0.5×1V=0.1V

感应电流为I==A=0.1A,

(4)4s内回路产生的焦耳热为 Q=IEt2=0.02J.

答:

(1)导体棒从t=0时刻开始向右运动直至末速为零所需的时间是1s;

(2)导体棒从t=0时刻开始向右运动直至末速为零时离左端的距离是0.5m;

(3)前2秒内无电流,后2秒内电流方向:顺时针方向,电流大小为0.1A.

(4)4s内回路产生的焦耳热是0.02J.

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质量为m=2000kg的跑车,在F=7000N的恒定牵引力作用下,沿平直的路面从静止开始匀加速行驶,若跑车受到的阻力恒为f=500N

求:(1)10秒末跑车的速度大小

(2)10秒内跑车行驶的距离.

正确答案

(1)跑车受重力、支持力、牵引力和阻力,根据牛顿第二定律,有:F-f=ma;

解得:a==m/s2=3.25m/s2

根据速度时间关系公式,有:v=at=3.25×10=32.5m/s;

(2)根据位移时间关系公式,有:

x=at2=×3.25×102=162.5m

答:(1)10秒末跑车的速度大小为32.5m/s;

(2)10秒内跑车行驶的距离为162.5m.

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如图,一块质量为M=2kg,长L=1m的匀质木板放在足够长的光滑水平桌面上,初始时速度为零.板的最左端放置一个质量m=1kg的小物块,小物块与木板间的动摩擦因数为μ=0.2,小物块上连接一根足够长的水平轻质细绳,细绳跨过位于桌面边缘的定滑轮(细绳与滑轮间的摩擦不计,木板右端与滑轮之间距离足够长,g=10m/s2).求:

(1)若木板被固定,某人以恒力F=4N向下拉绳,则小木块滑离木板时的速度大小;

(2)若不固定木板,某人仍以恒力F=4N向下拉绳,则小木块滑离木板时的速度大小;

(3)若人以恒定速度v1=1m/s向下匀速拉绳,同时给木板一个v2=0.5m/s水平向左的初速度,求木块滑离木板所用的时间.

正确答案

(1)对小物块受力分析,

由牛顿第二定律得:F-μmg=ma

可得:a=2m/s2

运动学公式v2=2aL

可得v=2m/s

(2)对小物块、木板受力分析,

由牛顿第二定律得:F-μmg=ma1μmg=Ma2

可得:a1=2m/s2 a2=2m/s2

物块的位移x1=a1t2

木板的位移x2=a2t2

又x2-x1=L

由以上三式可得,t=s,可得v=a1t=2m/s.

(3)木板向左做匀变速运动,由牛顿第二定律得:μmg=Ma3

可得a3=1m/s2,方向向右.

物块向右的位移为x3=v1t

木板向左的位移为x4=v2t-a3t2,又x3+x4=L

由以上三式可得,t=1s,t=2s(舍去)

答:(1)若木板被固定,某人以恒力F=4N向下拉绳,则小木块滑离木板时的速度大小为2m/s.

(2)若不固定木板,某人仍以恒力F=4N向下拉绳,则小木块滑离木板时的速度大小为2m/s.

(3)木块滑离木板所用的时间为1s.

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如图甲所示,某同学在竖直上升的升降机内研究升降机的运动规律.他在升降机的水平底板上安放了一台压力传感器(能及时准确显示压力大小),压力传感器上表面水平,上面放置了一个质量为1kg的木块,在t=0时刻升降机从地面由静止开始上升,在t=10s时上升了H,并且速度恰好减为零.他根据记录的压力数据绘制了压力随时间变化的关系图象,如图乙所示.请你根据题中所给条件和图象信息回答下列问题.(取g=10m/s2

(1)题中所给的10s内,升降机上升的高度H为多少?

(2)如果上升过程中某段时间内压力传感器显示的示数为零,那么该段时间内升降机是如何运动的?

正确答案

(1)对小木块受力分析,如图所示.由图象可以看出升降机在0~2s内向上做匀加速直线运动,由牛顿第二定律得:

F-mg=ma1

代入数据解得:a1=2m/s2

由运动学公式x1=a1t12,解得升降机在0~2s内上升的高度为:x1=4m,

2s末的速度为:v=a1t1=2×2m/s=4m/s,

在2~6s内升降机做匀速运动的位移为:x2=vt2=4×4=16m

在6~10s内升降机做匀减速运动的位移为:x3=t3=×4=8m

故升降机在10s内上升的总高度为:H=x1+x2+x3=4+16+8=28m

(2)由于压力传感器示数为零,则木块处于完全失重状态,故升降机在该段时间内做加速度大小为g的匀变速运动.

答:(1)升降机上升的高度H为28m;

(2)该段时间内升降机做加速度大小为g的匀变速运动.

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带正电的物体A静止于绝缘水平面上,如图.现加一水平向右的匀强电场后物体开始向右运动,已知物体A与绝缘水平面间的摩擦力为电场力的一半,经一段时间后,物体的动能为Ek,此时突然使电场方向反向,大小不变,再经过一段时间后,物体回到原出发点.求:

(1)物体A回到原出发点时的动能;

(2)上述前一段时间t1跟后一段时间t2的比值.

正确答案

(1)设摩擦力大小为f,电场力为F,第一阶段位移大小为x1,电场力反向后向右运动的位移大小为x2,向左运动的位移大小为x3

由题意,f=F

第一阶段Ek=(F-f)x1=Fgx1

电场力反向后0-Ek=-(F+f)x2 

可得x2=x1

又由题意x3=x2+x1=x1

向左运动阶段Ek末=(F-f)x3=F•x1=Ek

物体A回到原出发点时的动能为Ek

(2)设在后一段时间里,用t2a的时间使物体速度为零,然后用t2b的时间使物体加速回到原出发点;用a表示物体在前一段时间里的加速度,分别用a1、a2表示物体在t2a、t2b时间内的加速度,则

==

所以

==

由位移公式,得到

==

==

即前一段时间t1跟后一段时间t2的比值为

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在某公园建有一山坡滑草运动项目,该山坡可看成倾角θ=37°的斜面,一名游客连同滑草装置总质量m=80kg,他从静止开始从顶端匀加速下滑,装置与草之间的动摩擦因数为μ=0.5,山坡长x=64m.(不计空气阻力,取g=10m/s2,)问:

(1)游客连同滑草装置在下滑过程中加速度为多大;

(2)滑到底端时的速度及所用时间.

正确答案

(1)设游客连同滑草装置在下滑过程中加速度为a,对游客连同滑草装置受力分析如图所示.

由牛顿第二定律得mgsin37°-Ff=ma   ①

                FN=mgcos37°      ②

                又Ff=μFN

联立①②③式解得a=2m/s2

(2)设游客连同滑草装置滑到底端时的速度为v,所用时间为t.

     由运动学公式可得v2=2ax,v=at,

     解得v=16m/s,t=8s.

答:(1)游客连同滑草装置在下滑过程中加速度为2m/s2

    (2)滑到底端时的速度为v=16m/s,所用时间为t=8s.

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一平直的传送带以速率v=4m/s匀速运行,传送带把A处的工件运送到B处,A、B相距L=10m.工件与传送带间动摩擦因数为μ=0.2.设工件A的质量为4kg.求此过程中,由于摩擦产生的内能.

正确答案

加速时物体受力如图,根据牛顿第二定律:f=ma

其中f=μmg,解得:

a=μg=2m/s2

加速时间为:t==2s

加速位移为:x物=at2=4m<10m

此过程中皮带的位移为:x=vt=8m

物体相对于皮带的位移为:d=x-x=4m

所以由于摩擦产生的内能为:Q=f•d=0.2×4×10×4=32J

答:由于摩擦产生的内能为32J.

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甲乙两个同学共同做“验证牛顿第二定律”的实验,装置如图1所示.

①两位同学用砝码盘(连同砝码)的重力作为小车(对象)受到的合外力,需要平衡桌面的摩擦力对小车运动的影响.他们将长木板的一端适当垫高,在不挂砝码盘的情况下,小车能够自由地做______运动.另外,还应满足砝码盘(连同砝码)的质量m______小车的质量M.(填“远小于”、“远大于”或“近似等于”)

接下来,甲同学研究:在保持小车的质量不变的条件下,其加速度与其受到的牵引力的关系;乙同学研究:在保持受到的牵引力不变的条件下,小车的加速度与其质量的关系.

②甲同学通过对小车所牵引纸带的测量,就能得出小车的加速度a.图2是某次实验所打出的一条纸带,在纸带上标出了5个计数点,在相邻的两个计数点之间还有4个点未标出,图中数据的单位是cm.

实验中使用的电源是频率f=50Hz的交变电流.根据以上数据,可以算出小车的加速度a=______m/s2.(结果保留三位有效数字)

③乙同学通过给小车增加砝码来改变小车的质量M,得到小车的加速度a与质量M的数据,画出a~图线后,发现:当较大时,图线发生弯曲.于是,该同学后来又对实验方案进行了进一步地修正,避免了图线的末端发生弯曲的现象.那么,该同学的修正方案可能是______

A.改画a与的关系图线      B.改画a与(M+m)的关系图线

C.改画 a与的关系图线         D.改画a与的关系图线.

正确答案

①“验证牛顿第二定律”的实验中,为使绳子拉力为小车受到的合力,应先平衡摩擦力,方法是将长木板的一端适当垫高,在不挂砝码盘的情况下,小车能够自由地做匀速直线运动,另外为使绳子拉力等于砝码盘(连同砝码)的质量,必须满足满足砝码盘(连同砝码)的质量m远小于小车的质量M的条件.

②由匀变速运动的推论△x=aT2得,将计数点0到4分成0到2和2到4两部分,其中t=2×(5×0.02s)=0.2s,△x=(17.47-8.05)-8.05cm=1.37cm,代入上式解得a=0.343m/s2

③乙同学通过给小车增加砝码来改变小车的质量M,故小车的质量应为M+m,作图时应作出a-图象,故选A

故答案为:匀速直线,远小于,②0.343  ③A

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(14分)某科研单位设计了一空间飞行器,飞行器从地面起飞时,发动机提供的动力方向与水平方向夹角,使飞行器恰沿与水平方向成θ=30°角的直线斜向右上方匀加速飞行。经时间后,将动力的方向沿逆时针旋转60°同时适当调节其大小,使飞行器依然可以沿原方向匀减速飞行,飞行器所受空气阻力不计。求:

(1)时刻飞行器的速率;

(2)整个过程中飞行器离地的最大高度。

正确答案

(1)

(2)

(1)沿运动方向和垂直运动方向建立坐标系

运动方向     

垂直运动方向 

t时刻飞行器的速度 

联立得             

(2)逆转后

垂直运动方向  

沿运动方向     &s.5*u.c.om

经过时间速度减为0  

离地最大高度 

联立得       

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如图所示,长12m质量为50kg的木板右端有一立柱.木板置于水平地面上,木板与地面间的动摩擦因数为0.1,质量为50kg的人立于木板左端,木板与人均静止,当人以4m/s2的加速度匀加速向右奔跑至板的右端时,立刻抱住立柱,取(g=10m/s)试求:

(1)人在奔跑过程中受到的摩擦力的大小.

(2)人在奔跑过程中木板的加速度.

(3)人从开始奔跑至到达木板右端所经历的时间.

正确答案

(1)设人的质量为m,加速度为a1,木板的质量为M,加速度为a2,人对木板的摩擦力为f.则对人有:

f=ma1=200N,方向向右.

(2)对木板受力可知:f-μ(M+m)g=Ma2,则:a2=

代入数据解得:a2=2m/s2,方向向左

(3)设人从左端跑到右端时间为t.由运动学公式得:

L=a1t2+a2t2

代入数据解得:t=2s

答:(1)人在奔跑过程中受到的摩擦力的大小200N.

(2)人在奔跑过程中木板的加速度2m/s2

(3)人从开始奔跑至到达木板右端所经历的时间2s.

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一个初速度为零的电子在U1=45V的电压作用下得到一定速度后垂直于平行板间的匀强电场飞入两板间的中央,如图所示.若平行板间的距离d=1cm,板长l=1.5cm,电子的电荷量e=1.6×10 -19C,电子的质量m=9×10 -31kg,求:

(1)电子进入平行板间的速度v0多大?

(2)若电子恰能沿平行板右边缘射出,加在平行板上的电压U2为多大?

正确答案

(1)加速电场中,根据动能定理得eU1=m⇒v0==m/s=4×106m/s

(2)电子在平行板间的加速度为 a===

电子的竖直分位移为 y=at2=

电子的水平分位移为 l=v0t③

联立以上三式并代入数据得:U2==V=40V

答:

(1)电子进入平行板间的速度v0为4×106m/s.

(2)若电子恰能沿平行板右边缘射出,加在平行板上的电压U2为40V.

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如图所示,有一足够长的水平传送带以v0=4m/s的速度匀速运动,现将一质量m=2kg的物体以水平向左的初速度v1=8m/s从右端滑上传送带,向左运动速度v2=0时距离传送带的右端x=8m,求

(1)物体与传送带间的动摩擦因数μ;

(2)从物体的速度v2=0时开始计时,物体经过多长时间离开传送带.

正确答案

(1)物体滑上传送带向右一直做匀减速运动,

根据牛顿第二定律得:a==μg

根据位移速度公式得:

2ax=v12-0

带入数据解得:μ=0.4

(2)根据牛顿第二定律得:a==μg=4m/s2

设经过时间t1速度与传送带相等,则t1==1s

这段时间内的位移x1=at2=2m

所以匀速运动的位移x2=8-2=6m

所以运动运动的时间t2==1.5s

所以总时间为:t=1.5+1s=2.5s

答:(1)物体与传送带间的动摩擦因数为0.4  (2)物体经过2.5s离开传送带.

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带负电的小物体A放在倾角为θ(sinθ=0.6,cosθ=0.8)的绝缘斜面上.整个斜面处于范围足够大、方向水平向右的匀强电场中,如图所示,物体A的质量为m,电量为-q,与斜面问的动摩擦因数为μ,它在电场中受到的电场力的大小等于重力的一半.物体A在斜面上由静止开始下滑,经时间t后突然在斜面区域加上范围足够大的匀强磁场,磁场方向垂直于纸面.磁感应强度大小为B,此后物体A沿斜面继续下滑距离L后离开斜面.

(1)物体A在斜面上的运动情况如何?说明理由.

(2)物体A在斜面上运动过程中有多少能量转化为内能?

正确答案

(1)物体A在斜面上先做匀加速运动,后做加速度增大的变加速运动

∵在增加磁场之前物体A受恒力作用,而在增加匀强磁场后,洛伦兹力垂直于斜面向上,速度增大,洛伦兹力增大,滑动摩擦力将减小,合外力增大,则加速度增大.

∴物体A先做匀加速运动后做加速度增大的变加速运动.

(2)在加磁场前,根据牛顿第二定律得

 

解出a=g(1-μ)

则得 S=at2=g(1-μ)t2

在物体A离开斜面瞬间  F洛+mgsinθ-mgcosθ=0

而F=qvB

解出  v=

根据能量守恒WG+W=△EK+Q

则得  mg(L+S)sinθ+qE(L+S)cosθ=mv2+Q

将a、v及sinθ=0.6,cosθ=0.8代入上式

得Q=mg(L+-gt2)-

答:

(1)物体A在斜面上的运动情况是:物体A在斜面上先做匀加速运动,后做加速度增大的变加速运动.

(2)物体A在斜面上运动过程中有mg(L+-gt2)-的能量转化为内能.

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如图所示,质量为m=60kg的滑雪运动员由a点以初速度v0=20m/s沿水平方向冲出跳台,雪坡ab长为L=80m,与水平地面夹角为θ=37°.由于缓冲作用,运动员落到斜面或水平地面后,垂直于接触面的速度突变为零而平行于接触面的速度保持不变,滑板与雪面间的动摩擦因数为μ=0.1,不计空气阻力和通过衔接处b的能量损失(取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8).求:

(1)运动员冲出跳台后与雪面的撞击点离a点的距离;

(2)运动员冲出跳台后在与雪面撞击时损失的机械能;

(3)运动员停止运动时离b点的距离.

正确答案

(1)先判断运动员下落点是否在斜面上.

斜面的高度为:h=Lsin37°=48m斜面的水平长度:s=Lcos37°=64m

设运动员恰好落在b点,则下落时间为:t===3.098s

下落的水平位移:x=v0t=20×3.098=61.97m<64m,

故运动员落在斜面上.     

x=v0t′y=gt′2

tan37°===

t′=3s

L==75m

(2)落地时:

水平速度的平行斜面的分速度为:v01=v0cos37o=16m/s

水平速度的垂直斜面的分速度为:v02=v0sin37o=12m/s

竖直速度的平行斜面的分速度为:vy1=vysin37o=gtsin37o=18m/s

竖直速度的垂直斜面的分速度为:vy2=vycos37o=gtcos37o=24m/s

垂直斜面方向的和速度v=24-12=12m/s,在撞击时损失了△E=mv2=×60×122=4320J

(3)设运动员在水平面上滑行的距离为d,则根据能量关系有:m+mgh-△E-μmgcos37o(L-L)-μmgd=0

带入相关数据解得:d=604m.

答:(1)运动员冲出跳台后与雪面的撞击点离a点的距离为75m.

(2)运动员冲出跳台后在与雪面撞击时损失的机械能为4320J.

(3)运动员停止运动时离b点的距离为604m.

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质量为20kg的物体与水平面间的动摩擦因数为0.2,用一水平面成37°角,大小为100N的斜向上的拉力,使物体由静止开始运动,10S后再撤去拉力,g=10m/s2.求:(1)物体运动的加速度;(2)拉力F做的功.

正确答案

(1)物体的受力情况如图,根据牛顿第二定律得

    Fcos37°-f=ma

    N+Fsin37°=mg

又f=μN

联立得Fcos37°-μ(mg-Fsin37°)=ma

代入解得a=2.6m/s2

(2)10s内物体的位移为x=at2=130m

拉力F做的功为W=Fxcos37°=100×130×0.8J=10400J

答:

(1)物体运动的加速度为2.6m/s2

(2)拉力F做的功为10400J.

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