- 牛顿运动定律
- 共29769题
(12分)如图所示,宇航员从空间站C(绕地球运行)上释放了一颗质量m的探测卫星P 。该卫星通过一条柔软的细轻绳与空间站连接,稳定时卫星始终在空间站的正下方,到空间站的距离为l 。已知空间站的轨道为圆形,周期为T,地球半径为R,地球同步卫星到地面的高度为H0,地球自转周期为T0,万有引力常量为G,忽略卫星拉力对空间站轨道的影响,求:
(1)空间站离地面的高度H及卫星离地面的高度h;
(2)卫星所受轻绳拉力的大小。
正确答案
(1);(2)
试题分析:(1)设空间站离地面的高度为H, 因为同步卫星的周期和地球自转周期相同,根据开普勒第三定律以及题意有:
① ( 2分)
即: ② ( 2分)
卫星的高度: h = ③ ( 2分)
(2)卫星在细绳的拉力 F 和地球引力作用下跟随空间站一起绕地球作周期为 T 的圆周运动,有: ④ ( 2分)
式中 M为地球质量.空间站在地球引力作用下绕地球作周期为 T 的圆周运动
故有: ⑤ ( 2分)
式中m’为空间站的质量.由④、⑤两式得:
⑥ ( 2分)
一水平传送带以v1=2m/s的速度匀速运动,将一粉笔头无初速度放在传送带上,达到相对静止时产生的划痕长L1=4m。现在让传送带以a2=1.5m/s2的加速度减速,在刚开始减速时将该粉笔头无初速度放在传送带上,(取g=10m/s2)求:
(1)粉笔头与传送带之间的动摩擦因数μ=?
(2)粉笔头与传送带都停止运动后,粉笔头离其传输带上释放点的距离L2。
正确答案
0.83m.
设二者之间的动摩擦因数为,第一次粉笔头打滑时间为t,则依据传送带比粉笔头位移大L1得:
粉笔头的加速度
解得
第二次粉笔头先加速到与传送带速度相同,由于>
,
故二者不能共同减速,粉笔头以的加速度减速到静止.
设二者达到的相同速度为共,由运动等时性得:
解得
=0.5
此过程传送带比粉笔头多走
粉笔头减速到零的过程粉笔头比传送带多走
划痕长度为L2=s1-s2=0.83m.
本题考查牛顿第二定律的应用,粉笔头放在传送带上后受到摩擦力作用由静止做匀加速直线运动,最后与传送带共速,由匀变速直线运动规律可知在这段过程中粉笔头的平均速度为传送带速度的一半,由两个位移差值为L可求得运动的加速度,加速度由滑动摩擦力提供,从而求得动摩擦因数大小,第二次本鼻头先加速到与传送带速度相同,由于加速度大于可知而这不能共同减速,粉笔头以
的加速度减速到静止,同理由运动学公式联立可求得运动的划痕长度
(13分)一质量m=1kg的物体放在倾角θ为37°的斜面上,受到F=32N的水平推力作用从静止开始沿斜面向上运动。物体与斜面之间的动摩擦因数μ=0.5。推力F作用3s后撤去推力。求物体再运动3s后距出发点的距离。设斜面足够长,g=10m/s2
正确答案
41.76m
物体受力如图1,建坐标系得:
Fcosθ-mgsinθ-f1=ma1 ①
N1=Fsinθ+mgcosθ ②
f1=μN1 ③
解之a1=6m/s2 ④
m ⑤
v1=a1t1=18m/s ⑥
去掉F,物体受力如图2所示
⑦
解之=10m/s2⑧
设经过t2时间物体速度减为零
s⑨
m⑩
物体速度减为零后,由于μ
m/s2 ⑾
下滑位移m (12)
物体距出发点的距离 =41.76m (13)
本题考查对牛顿第二定律的应用,以物体为研究对象进行受力分析,建立直角坐标系,把力分解后列牛顿第二定律公式,可求得加速度大小,再由运动学公式求解
(9分)如图所示,质量为0.78kg的金属块放在水平地面上,在大小为3.0N、方向与水平方向成370角的拉力F作用下,以4.0m/s的速度沿地面向右做匀速直线运动。已知sin370=0.6,cos370=0.8,g取10m/s2。求:
(1)金属块与地面间的动摩擦因数;
(2)如果从某时刻起撤去拉力F,此后金属块的加速度大小;
(3)撤去拉力F后金属块在地面上还能滑行多远?
正确答案
解:(1)取物体运动方向为正,由平衡条件有
Fcosθ-f =" 0 " (1分)
N = mg-Fsinθ (1分)
又f =μN (1分)
所以有 (1分)
(2) 由牛顿第二定律有 -μmg="ma " (1分)
a = -μg=-0.4×10m/s2=" -4" m/s2 (1分)
方向与初速度相反 (1分)
(3)据0-v02=2as, (1分)
有m (1分)
略
交通部门规定汽车在市区某些街道行驶速度不得超过vm=30km/h.一辆汽车在该水平路段紧急刹车时车轮抱死,沿直线滑行一段距离后停止,交警测得车轮在地面上滑行的轨迹长sm=10m.从手册中查出该车轮与地面间的动摩擦因数为μ=0.72,取g=10m/s2.
小题1:试通过计算,判断该汽车是否违反规定超速行驶.
小题2:目前,有一种先进的汽车制动装置,可保证车轮在制动时不被抱死,使车轮仍有一定的滚动,安装了这种防抱死装置的汽车,在紧急刹车时可获得比车轮抱死更大的制动力,从而使刹车距离大大减小.假设安装防抱死装置的汽车刹车刹车时的制动力恒为F,驾驶员的反应时间为t,汽车的质量为m,汽车刹车前匀速行驶的速度为v,试推出驾驶员发现情况后紧急刹车时的安全距离s的表达式(用上述已知物理量F、t、m、v表示).
正确答案
小题1:超速
小题2:s=vt+
小题1:汽车刹车且车轮抱死后,汽车受滑动摩擦力作用匀减速运动.
滑动摩擦力 f=μmg ①
汽车的加速度 a=-=-μg ②
由匀减速运动知 (式中vt=0) ③
则 ④
带入数据得 >30km/h ⑤
即这辆车是超速的.
小题2:刹车距离由两部分组成,一是司机在反应时间内汽车行驶的距离s1,二是刹车后匀减速行驶的距离s2.
据题意有 s=s1+s2 ⑥
式中 ⑦
⑧
加速度大小为 a= ⑨
则安全距离为 s=vt+ ⑩
(15分)如图所示,一半径为R=0.2m的竖直粗糙圆弧轨道与水平地面相接于B点,C、D两点分别位于轨道的最低点和最高点。距地面高度为h=0.45m的水平台面上有一质量为m=1kg可看作质点的物块,物块在水平向右的恒力F=4N的作用下,由静止开始运动,经过t=2s时间到达平台边缘上的A点,此时撤去恒力F,物块在空中运动至B点时,恰好沿圆弧轨道切线方向滑入轨道,物块运动到圆弧轨道最高点D时对轨道恰好无作用力。物块与平台间的动摩擦因数μ=0.2,空气阻力不计,取 g=10m/s2。求
(1)物块到达A点时的速度大小vA。
(2)物块到达B点时的速度大小vB。
(3)物块从B点运动到D点过程中克服摩擦力所做的功。
正确答案
(1)4m/s(2)5m/s(3)7.9J
试题分析:(1)物体在平台上运动时
由牛顿第二定律得F-μmg =ma (2分)
由 vA=at (1分)
得 vA ="4m/s" (1分)
(2)从A点到B点,由动能定理得
mgh =mvB2-
mvA2 (3分)
得 vB =5m/s (1分)
(也可列如下方程: h =gt2,给1分; v=gt,1分; vB=
,1分)
(3)设OB与OC的夹角为θ,则cosθ==
(1分)
轨道最高点D mg (2分)
从B点到D点,由动能定理得
-mvD2-
mvB2 (3分)
解得:W=7.9J (1分)
(8分)如图所示,一倾角θ=37o、足够长斜面底端有一质量m=5kg的物块,物块与斜面间的动摩擦系数μ=0.5,用水平力F=200N去推物块,5m后撤去F,求撤去F后物体向上滑行的最大位移? (g=10m/s2)
正确答案
5m
对物块:
得
运动5m后设物块的速度为
撤去外力F后,对物块:
得
所以撤去外力后物块还能向上运动至末速度
其位移
本题考查力与运动的关系,首先选择研究对象,进行受力分析,由牛顿第二定律求得加速度大小,运动5m后由运动学公式可求得末速度,同理撤去F后可求得加速度和位移
(10分)如图16所示,斜面体质量为M,倾角为θ,与水平面间的动摩擦因数为μ,用细绳竖直悬挂一质量为m的小球静止在光滑斜面上,当烧断绳的瞬间,至少以多大的水平向右的力由静止拉动斜面体,小球才能做自由落体运动到地面?
正确答案
(μ+cotθ)Mg
设小球自由落体运动到地面上,下落高度为h,
则斜面体至少水平向右运动的位移为:
x=h·cotθ
对小球:h=gt2
对斜面体:x=at2
由以上三式解得:a=gcotθ
以斜面体为研究对象有:F-μMg=Ma
所以F=μMg+Mgcotθ=(μ+cotθ)Mg.
已知水平面上A、B两点间的距离S=22.5m,质量m=2kg的物块(可视为质点)在水平恒力F作用下,从A点由静止开始运动,运动一段距离撤去该力,物块继续滑行t=5s停在B点,物块与水平面间的动摩擦因数μ=0.1,求恒力F为多大(重力加速度g取10m/s2).
正确答案
设撤去力F前物块的位移为s1,撤去力F之后滑行的位移为s2,
物块受到的滑动摩擦力f=μmg,a减=μg=1m/s2,
由运动学公式得:滑行的位移s2=a减t2=
×1×25m=12.5m
所以s1=s-s2=22.5-12.5=10m
对物块运动的全过程应用动能定理的:
Fs1-fs=0
代入数据解得:F=4.5N
答:恒力F为4.5N.
如图所示,以水平地面建立X轴,有一个质量为m=1kg的木块放在质量为M=2kg的长木板上,木板长L=11.5m.已知木板与地面的动摩擦因数为μ1=0.1,m与M之间的摩擦因素μ2=0.9(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力).m与M保持相对静止共同向右运动,已知木板的左端A点经过坐标原点O时的速度为V0=10m/s,在坐标为X=21m处有一挡板P,木板与挡板P瞬间碰撞后立即以原速率反向弹回,而木块在此瞬间速度不变,若碰后立刻撤去挡板P,g取10m/s2,求:
(1)木板碰挡板P时的速度V1为多少?
(2)最终木板停止运动时其左端A的位置坐标?
正确答案
解.(1)对木块和木板组成的系统,有μ1(m+M)g=(m+M)a1
V02-V12=2a1s
解得:V1=9m/s
(2)由牛顿第二定律可知:
m运动至停止时间为:t1==1s
此时M速度:VM=V1-aMt1=3m/s,方向向左,
此后至m,M共速时间t2,
有:VM-aMt2=amt2得:t2=0.2s
共同速度V共=1.8m/s,方向向左
至共速M位移:S1=(t1+t2)=6.48m
共速后m,M以a1=1m/s2
向左减速至停下位移:S2==1.62m
最终木板M左端A点位置坐标为:X=9.5-S1-S2=9.5-6.48-1.62=1.40m
答:(1)木板碰挡板P时的速度V1为9m/s.
(2)最终木板M左端A点位置坐标为X=1.40m.
如图所示,一个厚度不计的圆环A,紧套在长度为L的圆柱体B的上端,A、B两者的质量均为m,A与B之间的最大静摩擦力与滑动摩擦力相同,其大小为kmg(k>1).B在离地H高处由静止开始落下,触地后能竖直向上弹起,触地时间极短,且无动能损失,B与地碰撞若干次后A与B分离.求:
(1)B与地第一次碰撞后,经多长时间A与B达到相同的速度;
(2)当A与B第一次达到相同速度时,B下端离地面的高度是多少.
正确答案
物体A、B一起下落H过程,机械能守恒得:
2mgH=×2mv2
解得v=
对B来说碰撞后以速度v向上作匀减速运动,其加速度aB
由牛顿第二定律,得
mg+kmg=maB
得
aB=(k+1)g
对A来说碰撞后的加速度aA
由kmg-mg=maA
得
aA=(k-1)g方向竖直向上.
当A、B速度相等时,两者相对静止.
设经时间t后,两者速度相等,有
v-aAt=-(v-aBt)
解得
t=
B下端离地面的高度为
H′1=vt-aBt2=
即B与地第一次碰撞后,当A与B刚相对静止时,B下端离地面的高度为.
答:(1)B与地第一次碰撞后,经时间A与B达到相同的速度;
(2)当A与B第一次达到相同速度时,B下端离地面的高度是.
如图所示,一质量M=2kg的足够长的长木板在光滑的水平面上以vo=3m/s的速度向右匀速运动,某时刻一质量m=lkg的物体无初速的放在长木板的右端,物体与木板的动摩擦因数μ=0.5,g=10m/s2,求:
(1)物体相对长板的位移多大?
(2)若在物体无初速放在长木板右端的同时对长木板施加一水平向右的恒力F=7.5N,则在1s内物体的位移为多大?
正确答案
(1)设物体与木板的共同速度为v,由动量守恒定
Mv0=(m+M)v ①
设物体相对木板的位移为s,由功能关系得:μmgs=M
-
(m+M)v2②
由①②得:s==0.6m
(2)设经过t1时间两物体达到共同速度v1
对物体:μmgt1=mv1③
对木板:Ft1-μmgt1=Mv1-Mv0④
由③④得:
t1时间物体发生的位移s1由动能定理得:
设物体和木块达共同速度后相对静止,由牛顿第二定律a==2.5m/s2<μg,
故物体和木板能保持相对静止
在t2=0.2s内发生物体发生的位移s2=v1t2+a
=0.85m
物体在1s内发生的位移s=s1+s2=2.45m
为了节能,某货场设计了如图所示的送货装置,长为L的水平传送带右端B与一光滑弧面相连,弧面顶端为储货平台,将货物无初速度轻放在传送带左端A,通过传送带到达B端时具有一定动能,货物可以利用此动能滑上储货平台,平台离传送带高h,在安装调试时传送带以某一速度匀速运动,工人发现货物只能上滑到处,为了进一步研究货物不能滑上平台的原因,工人在传送带上用粉笔画了一条直线,当货物放上去后发现有一段长为S0(S0<L)的粉笔线被货物擦过,则
(1)货物与传送带间的动摩擦因数多大?
(2)为了将货物送上储货平台,工人进行了适当调整,使货物滑上平台后刚好停止,分析说明工人采取了什么措施及装置应满足的条件.
(3)在满足(2)的条件下,货物获得的机械能与系统增加的内能之比多大?
正确答案
(1)货物滑上弧面后机械能守恒,则有
mv2=mg•
,得到v=
货物放上传送带后,最初做匀加速运动,设位移为s1,在相同时间内传送带通过的位移为s2,传送带的速度为v,
由运动学公式得:s1=t,s2=vt,
又S0=s2-s1
得到:S0=
所以得到s1=S0
由动能定理得
μmgs1=mv2
又所以μ=
(2)因为S0<L,货物与传送带间动摩擦因数一定,因此可用增大加速距离的方法来提高货物离开传送带时的速度,
提高传送带的速度即可增大加速距离,从而提高货物离开传送带时的速度,使mv2=mgh即能满足要求.
此时传送带的长度应不小于货物加速的距离有
μmgs=mv2
联立得到:s=2S0
又要满足s≤L,则有L≥2S0
(3)在满足(2)的条件下,货物获得的机械能等于增加的重力势能mgh,由(1)得到:△E=μmg2S0.
由功能关系知系统增加的内能等于克服摩擦力做的功,即Q=μmgs相
由(1)知货物相对传送带的位移为 s相=2S0
所以在满足(2)的条件下,货物获得的机械能与系统增加的内能之比值为1:1.
答:
(1)货物与传送带间的动摩擦因数μ=.
(2)为了将货物送上储货平台,使货物滑上平台后刚好停止,分析说明工人采取了提高传送带的速度的措施,装置应满足的条件是L≥2S0.
(3)在满足(2)的条件下,货物获得的机械能与系统增加的内能之比1:1.
如图所示,两木板A、B并排放在地面上,A左端放一小滑块,滑块在F=6N的水平力作用下由静止开始向右运动.已知木板A、B长度均为l=1m,木板A的质量MA=3kg,小滑块及木板B的质量均为m=1kg,小滑块与木板A、B间的动摩擦因数均为μ1=0.4,木板A、B与地面间的动摩擦因数均为μ2=0.1,重力加速度g=10m/s2.求:
(1)小滑块在木板A上运动的时间;
(2)木板B获得的最大速度.
正确答案
(1)小滑块对木板A的摩擦力:
f1=μ1mg=0.4×1×10=4N
木板A与B整体受到地面的最大静摩擦力:
f2=μ2(2m+MA)g=0.1×(2×1+3)=5N
f1<f2,小滑块滑上木板A后,木板A保持静止
设小滑块滑动的加速度为a1,则:
F-μ1mg=ma1
根据运动学公式,有:
l=a1
解得:
t1=1s
(2)设小滑块滑上B时,小滑块速度v1,B的加速度a2,经过时间t2滑块与B速度脱离,滑块的位移x块,B的位移xB,B的最大速度v2,则:
μ1mg-2μ2mg=ma2
vB=a2t2
xB=a2
v1=a1t1
x块=v1t2+a1
x块-xB=l
联立解得:vB=1m/s
答:(1)小滑块在木板A上运动的时间为1s;(2)木板B获得的最大速度为1m/s.
质量为50kg的人站在升降机内的体重计上.若升降机上升过程中,体重计的示数F随时间t的变化关系如图所示,g取10m/s2.
(1)求0-10s内升降机的加速度.
(2)10s-20s内升降机做什么运动.
正确答案
(1)由图象知,0-10s内体重计对人的支持力FN-=700N.
根据牛顿第二定律:FN-mg=ma,
得:a==
m/s2=4m/s2.
(2)由图象知,10s-20s内体重计对人体的支持力F′N-=500N,
所以 F合=F′N--mg=0
所以这段时间内升降机做匀速运动.
答:(1)升降机的加速度是4m/s2.
(2)10s-20s内升降机做匀速运动.
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