- 牛顿运动定律
- 共29769题
质量为m=1kg的物体从斜面底端出发以初速度v0沿斜面向上滑,其速度随时间变化关系图象如图所示,g=10m/s2,求:
(1)斜面的倾角θ及恒定阻力Ff的大小;
(2)物体上滑过程中离开出发点距离多大时,它的动能与重力势能相等(以斜面底端所在平面为零势能面).
正确答案
(1)上滑时,物体的加速度大小为a1==
m/s2.=8m/s2
下滑时,物体的加速度大小为a2==
m/s2=4m/s2.
根据牛顿第二定律得:
上滑过程:mgsinθ+Ff=ma1
下滑过程:gsinθ-Ff=ma2,
将m=1kg,代入解得:θ=37°,Ff=2N,
(2)上滑过程中,根据动能定理得:
-mgssinθ-Ffs=Ek-mv02,
由题意,Ek=mgssinθ,
解得:s=m
答:(1)斜面的倾角θ为37°,恒定阻力Ff的大小是2N;
(2)物体上滑过程中离开出发点距离是m时,它的动能与重力势能相等.
一内壁光滑的半环形细圆管竖直地固定在水平桌面上,其直径AB与桌面垂直,环的半径为R(比细管的半径大得多).一个质量为m的小球(小球直径略小于细管直径且可视为质点)从管口A射入管中,从管口B射出时对管口壁的压力为mg/3.求小球在桌面上的落点到管口A的距离.
正确答案
当小球在B处所受弹力向上时,小球射出速度为v1,落点到A距离为x1.
由牛顿第二定律得 mg-mg=m
得v1=
小球离开B后做平抛运动,则有
2R=gt2
x1=v1t
解以上三个方程得:x1=2R
当小球在管口B处所受弹力向下时,小球射出速度为v2,落点到A的距离为x2.
mg+mg=m
又2R=gt2
x2=v2t
解以上三个方程得:x2=4R
答:小球在桌面上的落点到管口A的距离是2R或4R
.
某塑料球成型机工作时,可以喷出速度v0=10m/s的塑料小球,已知喷出小球的质量m=1.0×10-4 kg,并且在喷出时已带了q=1.0×10-4 C的负电荷,如图所示,小球从喷口飞出后,先滑过长d=1.5m的水平光滑的绝缘轨道,而后又过半径R=0.4m的圆弧形竖立的光滑绝缘轨道.今在水平轨道上加上水平向右的电场强度为E的匀强电场,小球将恰好从圆弧轨道的最高点M处水平飞出;若再在圆形轨道区域加上垂直于纸面向里的匀强磁场后,小球将恰好从圆形轨道上与圆心等高的N点脱离轨道落入放在地面上接地良好的金属容器内,g=10m/s2,求:
(1)所加电场的电场强度E;
(2)所加磁场的磁感应强度B.
正确答案
(1)设小球在M点的速率为v1,只加电场时对小球在M点,根据牛顿第二定律有:
mg=m
在水平轨道上,对小球运用动能定理得:
qEd=mv12-
mv02
联立两式解得:E=32V/m.
故所加电场的电场强度E=32V/m.
(2)设小球在N点速率为v2,在N点由牛顿第二定律得:qv2B=m
从M到N点,由机械能守恒定律得:
mgR+mv12=
mv22
联立两式解得:B=5T.
故所加磁场的磁感应强度B=5T.
如图所示,在绝缘水平面上,有相距为L的A、B两点,分别固定着两个带电荷量均为Q的正电荷.O为AB连线的中点,a、b是AB连线上两点,其中Aa=Bb=L/4.一质量为m、电荷量为+q的小滑块(可视为质点)以初动能Ek0从a点出发,沿AB直线向b运动,其中小滑块第一次经过O点时的动能为2Ek0,第一次到达b点时的动能恰好为零,小滑块最终停在O点,已知静电力常量为k.求:
(1)小滑块与水平面间滑动摩擦力的大小.
(2)小滑块刚要到达b点时加速度的大小和方向.
(3)小滑块运动的总路程s总.
正确答案
(1)a点与b点等势,小滑块第一次由a到b,由动能定理有-Ff•2=0-Ek0
求得:
小滑块与水平面间滑动摩擦力的大小Ff=;
(2)小滑块刚要到b时,受库仑力 FA=k
FB=k
在b点,由牛顿第二定律有:FB+Ff-FA=ma,解得:
b点时的加速度为a=+
;
(3)由a第一次到o时静电力做功为W,有:-Ff+W=2Ek0-Ek0
由a开始到最后停在O点,有:W-Ffs总=0-Ek0
由以上二式得:s总=
小滑块运动的总距离为L.
如图所示,位于水平地面上的质量为2kg的木块,在大小为20N、方向与水平面成37°角的斜向上拉力作用下,沿地面作匀加速运动,若木块与地面间的动摩擦因数为0.5,求:
(1)物体运动的加速度.
(2)若物体运动4秒时撤去拉力,求物体运动的总位移.
正确答案
对木块受力分析如图所示,建立如图所示的坐标系,把F分解到坐标轴上.
在x方向上,根据牛顿第二定律列方程:
Fcosα-f=ma
在y方向上,根据平衡条件列方程:
Fsinα+N=mg
又因为f=μN
联立以上三个方程,解得:
a=
代入数据,解得a=6m/s2.
(2)1°撤去拉力F前,物体做初速度为零的匀加速运动.
由匀变速运动的位移公式x=at2
代入数据得x1=×6×42m=48m
撤去F时的速度为v=at=6×4=24m/s
2°当撤去拉力后物体在水平方向上只受摩擦力f′=μN′=ma′
在竖直方向上N′=mg
又因为f′=μN′
联立以上三式得a ′= =μg
代入数据解得a′=5m/s2,与运动方向相反,木块做匀减速运动,直到物体静止下来.
由匀变速运动的速度与位移的关系公式v2=2a′x2
代入数据解得x2==
m=57.6m
3°所以总位移为x=x1+x2=48+57.6=105.6m
答:(1)物体运动的加速度为6m/s2.
(2)若物体运动4秒时撤去拉力,物体运动的总位移为105.6m.
传送带在工农业生产中有着广泛的应用.如图所示,平台上的人欲通过一根平行于传送带的轻绳将物品拉上平台,已知物品质量m=50kg,可看成质点,用F=500N的恒力从静止开始往上拉,传送带与水平面的夹角θ=37°,从传送带底端到平台左边的距离L=2.25m,传送带以恒定速度v=2m/s顺时针运行,物品与传送带之间的动摩擦因数μ=0.5,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.(g取10m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)问:
(1)物品从传送带底端运动到平台上所用的时间是多少?
(2)若在物品离传送带底端L0=0.44m处时,立即撤去恒力F,求物品再经过多少时间离开传送带?
正确答案
(1)物品在达到传送带速度之前,由受力情况,据牛顿定律有:F+μmgcos37°-mgsin37°=ma1
解得:a1=8m/s2
由 v=at 和x=at2得:
t1=0.25s x=0.25m
随后由受力情况,据牛顿定律有:F-μmgcos37°-mgsin37°=ma2
解得:a1=0 即物品随传送带匀速上升
位移:x2=L-x1=2m
T2==1s
总时间:t=t1+t2=1.25s
(2)L0=0.44m>x1=0.25,物品的速度大于传送带的速度v=2m/s
撤去外力F,由物品受力情况,所牛顿定律有:μmgcos37°-mgsin37°=ma3
代入数据解得:a3=-2m/s2
由 2ax=-
代入数据解得:X3=1m
因为L0+x3=1.44m<L=2.25m 物品速度减为零后倒回传送带底部,
由 x=v0t+at2
代入数据解得:t3=2.2s
答:(1)物品从传送带底端运动到平台上所用的时间是1.25s
(2)若在物品离传送带底端L0=0.44m处时,立即撤去恒力F,物品再经过2.2s离开传送带.
如图甲所示,平行金属导轨竖直放置,导轨间距为L=1m,上端接有电阻R1=3Ω,下端接有电阻R2=6Ω,虚线OO′下方是垂直于导轨平面的匀强磁场.现将质量m=0.1kg、电阻不计的金属杆ab,从OO′上方某处垂直导轨由静止释放,杆下落0.2m过程中始终与导轨保持良好接触,加速度a与下落距离h的关系图象如图乙所示.求:
(1)磁感应强度B;
(2)杆下落0.2m过程中通过电阻R2的电荷量q.
正确答案
(1)由图象知,杆自由下落的高度为h=0.05m,当地的重力加速度g=10m/s2,则杆刚进磁场时的速度为
v==1m/s
由图象知,杆进入磁场时的加速度为a=-g=-10m/s2,
由E=BLv、I=、F安=BIL得
F安=
又R并=
根据牛顿第二定律得:mg-F安=ma
联立解得,B=2T
(2)根据法拉第电磁感应定律得:杆在磁场中产生的平均感应电动势为=
杆中平均感应电流为=
通过杆的电量Q=•△t
联立解得Q=0.15C
由于R1=3Ω,R2=6Ω,两个电阻并联,通过它们的瞬时电流关系为=
=
故通过电阻R2的电荷量q=Q=0.05C.
答:(1)磁感应强度B是2T;
(2)杆下落0.2m过程中通过电阻R2的电荷量q是0.05C.
2010年12月,新一代国产“和谐号”CRH380A高速动车创造了最高时速达486.1Km(即135m/s)的奇迹.已知动车组采用“25kV、50HZ”的交流电供电,牵引功率为9600kW,整车总质量为3.5×105kg,动车组运行中受阻力随速度的增加而增大.则动车组( )
正确答案
由于动车以何种启动方式未知,而且运行过程中所受阻力与速度的具体关系不知,因此无法求出最大牵引力,从而也无法求出启动时的最大加速度,故AC错误;
当动车以最大速度匀速运行时阻力最大,此时有:P=Fv=fv,所以f==
=7.1×104N,故B正确;
由于动车组电机内阻不知,无法求出电动机的输出功率,因此无法求出供电线路的最大电流,故D错误.
故选B.
航天飞机是可重复使用的载人航天飞行器.美国研制的航天飞机起飞时的总质量m=2.0×106kg,两个固体助推器与轨道器的三台主发动机一起点火,总推力F=3.0×107N.经过两分钟后,两个固体助推器同时关机并与航天器分离,然后靠降落伞落在大西洋海面上,由回收船回收,重新充填推进剂后供下次使用.为了计算方便,作如下简化处理:航天飞机起飞后竖直向上运动,开始运动的l2s内总质量不变,受到的空气阻力不计,取g=10m/s2,试求航天飞机12s末:
(1)速度的大小;
(2)离地面的高度.
正确答案
(1)根据题意和牛顿第二定律,航天飞机开始运动的12s内做匀加速直线运动,设其加速度的大小为a,
则F-mg=ma
代入数据解得:a=5m/s2
12s末速度的大小v=at
代入数据解得:v=60m/s
(2)离地面的高度h=at2
代入数据解得:h=360m
答:(1)速度的大小为60m/s;
(2)离地面的高度为360m.
质量m=1kg的滑块受到一个沿斜面方向的外力F作用,从斜面底端开始,以初速度v0=3.6m/s沿着倾角为37°足够长的斜面向上运动,物体与斜面间的动摩擦因数为μ=0.8.利用DIS实验系统进行测量,得到滑块向上滑动过程中,一段时间内的速度-时间图象如图所示(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8).求:
(1)滑块上滑过程中加速度的大小;
(2)滑块所受外力F;
(3)当滑块到最高点时撤除外力,此后滑块能否返回斜面底端?若不能返回,求出滑块停在离斜面底端的距离.若能返回,求出返回斜面底端时的速度.
正确答案
(1)根据速度-时间图象的斜率表示加速度得:a==
m/s2=15m/s2
(2)设F沿斜面向上,则mgsinθ-μmgcosθ-F=ma
F=mgsinθ+μmgcosθ-ma=1×10×0.6+0.8×1×10×0.8-1×15N=-2.6N
所以F力的方向平行于斜面向下.
(3)因为 mgsinθ<μmgcosθ,所以滑块不能返回斜面底端.
设经过时间t,滑块速度为零,则t==
s=0.24s
s=t=
×0.24m≈0.43m
滑块停在距离斜面底端0.43m处.
答:(1)滑块上滑过程中加速度的大小为15m/s2;
(2)滑块所受外力F的大小为2.6N,方向平行于斜面向下;
(3)当滑块到最高点时撤除外力,滑块不能返回斜面底端,滑块停在距离斜面底端0.43m处.
如图所示,在倾角θ=37°的足够长的固定的斜面底端有一质量m=1kg的物体.物体与斜面间动摩擦因数µ=0.25,现用轻细绳将物体由静止沿斜面向上拉动.拉力F =10N,方向平行斜面向上.经时间t=4s绳子突然断了,求:
(1)绳断时物体的速度大小.
(2)从绳子断了开始到物体再返回到斜面底端的运动时间.(sin37°=0.60,cos37°=0.80,g=10m/s2)
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)在前4秒内,物体在F作用下匀加速沿斜面向上运动,以沿斜面向上为正方向,受力如图,
设物体的加速度为,由牛顿第二定律有:
又=
N
联立以上各式可以解得:
代入数得:
由速度时间公式得,绳断时物体的速度大小为:
(2)木块在前4秒内发生的位移为:
绳子在末突然断了后,物体先沿斜面向上做匀减速运动,至速度减为零后沿斜面向下做匀加速下滑回到出发点,设减速阶段的加速度大小为
,沿斜面向下做匀加速下滑的加速度大小为
,由牛顿第二定律有:
沿斜面向上做匀减速运动时: 解得:
沿斜面向下做匀加速下滑时: 解得:
物体在绳子断了后,再向上运动距离为
再向上运动的时间为:
设匀加速下滑时间为,由
解得:
绳断后物体运动时间:
图a为一电梯上升过程中的v-t图象,若电梯地板上放一质量为1kg的物体,g取10m/s2.
(1)求电梯前2s内和后3s内的加速度大小;
(2)求2-4s内物体对地板的压力大小;
(3)在图b中画出电梯上升过程中地板对物体的支持力F随时间变化的图象.
正确答案
(1)前2s内加速度的大小a1=m/s2=3m/s2,
后3s内加速度的大小a2=m/s2=2m/s2.
(2)2s-4s内电梯匀速上升,由平衡条件可得,N=mg=10N
根据牛顿第三定律得,物体对地板的压为FN=N=10N.
(3)0-2内电梯加速上升,由牛顿第二定律得F-mg=ma1,解得F=13N;
2s-4s内F=FN=10N;
4s-6s内电梯减速上升,由牛顿第二定律得mg-F=ma2,解得F=8N.
所以电梯上升过程中地板对物体的支持力F随时间t变化的图象如图所示
1964年,酷夏的戈壁滩,一枚中国火箭准备发射升空.但是由于天气炎热,火箭推进剂温度升高,不能将燃料箱注满推进剂,导致射程不够.既然射程不够,应该增加推进剂,很多人都在沿着这条思路苦思冥想.这时一个年轻人站出来提出:“泄出600公斤燃烧剂,也许可以解决问题.”大家都对这个年轻人的想法感到不可思议.后来,年轻人向技术总指挥钱学森反映:箭体的质量直接影响到射程,泄出一些燃料,不就等于减轻了箭体的自身的质量么?这样火箭不就可以飞得更远吗?钱学森认真听取了他的想法后,当即拍板:“我看这个办法行!”不久,大漠中一声巨响,火箭发射试验圆满成功.这个年轻人就是获得2004年国家最高科学技术奖的王永志.
李明同学看完了上述材料后.根据自己的实际水平决定对火箭竖直上升阶段的运动进行一些研究.他用平均推力(常量)代替火箭从开始发射到上升至设计的最大竖真高 度过程中所受推力,并且用平均质量代替火箭在这个过程中的质量.忽略空气阻力作 用.李明用他学过的知识研究发现,泄出部分燃料后火箭上升到设计的竖直最大高度时,可以获得更大的速度.
请你按照李明同学的思路论证出:泄出部分燃料后火箭上升到设计的竖真最大高度时,可以获得更大的速度.
正确答案
设火箭竖直上升阶段的平均推力为,平均质量为
,加速度为a,根据牛顿第二定律有:
a==
-g
由于火箭泄出部分燃料后平均质量减小,平均推力是常量
,所以火箭竖直上升的加速度a增大.
因为火箭上升设计的最大高度h为定值,所以由vt2=2ah可知,加速度a增大,火箭获得的速度vt也将增大.
答:证明如上所示.
两条相距为1m的水平金属导轨上放置一根导电棒ab,处于竖直方向的匀强磁场中,如图所示,导电棒的质量是1.2kg,当棒中通入2安培的电流时(电流方向是从a到b),它可在导轨上向右匀速滑动,如电流增大到4A时,棒可获得0.5m/s2的加速度.求:
①磁场的方向?
②磁场的磁感强度的大小和摩擦力大小?
正确答案
①由左手定则,可知磁场方向向上.
②设滑动摩擦力为f,磁感应强度为B,可得:
BI1L-f=0
BI2L-f=ma
代入数据联立解得:
B=0.3T
f=0.6N
故答案为:①向上②0.3T;0.6N.
如图所示,水平桌面上一质量为2.0kg的小物块,在10N的水平拉力作用下,从桌面A端由静止开始向B端运动,2s末撤去水平拉力,物块恰能运动到桌面B端而不掉下,已知物块与桌面之间的动摩擦因数μ=0.4,不计空气阻力,g=10m/s2.求:
(1)物体运动过程的最大速度
(2)桌面的长度.
正确答案
(1)物体先在做匀加速运动,后作匀减速运动
设加速阶段加速度为a1,由牛顿第二定律得:
F-μmg=m a1
解得a1=1m/s2
加速阶段的位移s1=a1t2=2m
加速阶段最大速度v=a1t=2m/s
(2)设减速阶段加速度为a2,由牛顿第二定律f=ma2
得a2=4m/s2
减速阶段的位移s2==0.5m
桌子的长度为s1+s2=2.5m
答:(1)物体运动过程的最大速度为2m/s;(2)桌面的长度为2.5m.
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