- 牛顿运动定律
- 共29769题
某潜艇发生碰撞后失去控制,在10秒内从海面沉入110m深的海底,艇上有128名官兵必须营救.
(1)如果只研究潜艇在竖直方向上的运动,且假定这一运动是匀变速直线运动,则潜艇在竖直方向产生多大的加速度?又设潜艇上的官兵各自站在潜艇舱内,则平均质量为60kg的官兵对舱底的压力为多大?
(2)潜艇沉入海底时舱内官兵所需的氧气是有储存氧气的氧气瓶供氧的,假如每个官兵1min需氧气约1.5L,艇上共有320瓶压强为6.0×106Pa、体积为90L的氧气瓶,则成功救援的最长时间为多大?
正确答案
(1)根据位移时间公式s=at2得,a=
=
m/s2=2.2m/s2.
根据牛顿第二定律得,mg-N=ma,解得N=mg-ma=456N.
则压力为456N.
(2)根据P0V0nt=NPV
1.0×105×1.5×128t=320×6.0×106×90
解得t=9000min.
答:(1)潜艇在竖直方向产生的加速度为2.2m/s2,官兵对舱底的压力为456N.
(2)成功救援的最长时间为9000min.
如图所示,一辆平板小车静止在水平地面上,小车的右端放置一物块(可视为质点).已知小车的质量M=4.0kg,长度l=1.0m,其上表面离地面的高度h=0.80m.物块的质量m=1.0kg,它与小车平板间的动摩擦因数μ=0.20,最大静摩擦力可以认为等于滑动摩擦力.若用水平向右的恒定拉力F=18N拉小车,经过一段时间后,物块从小车左端滑出,在物块滑出瞬间撤掉拉力F,不计小车与地面间的摩擦. 取g=10m/s2,求:
(1)拉动小车过程中拉力F所做的功;
(2)物块落地时的动能;
(3)物块落地时,物块与小车左端的水平距离.
正确答案
(1)设物块运动的加速度为a1,小车运动的加速度为a2,物块从开始滑动到从小车左端滑出的时间为t.
物块所受摩擦力f=μmg,
根据牛顿第二定律f=ma1,物块的位移x1=a1t2
小车所受摩擦力f′=f=μmg,
根据牛顿第二定律F-f′=Ma2,小车的位移x2=a2t2
解得物块运动的加速度为a1=2 m/s2,
小车运动的加速度a2=4m/s2
由如图1所示的几何关系可知 x2-x1=l
解得滑块在t=1s末从小车左端滑出,
小车的位移x2=a2t2=2m,
拉力F所做的功W=F x2=36J
(2)此时物块的速度大小v1=a1t=2m/s
物块滑出后做平抛运动,
机械能守恒,m v12+mgh=E 1′
物块落地时的动能为E 1′=10J
(3)物块与小车分离时,小车速度为 v2=a2t=4 m/s
物块与小车分离后向右做平抛运动,
设物块做平抛运动的时间为t′,
则t′==0.40 s
物块做平抛运动的过程中
物块向右的水平位移 x1′=v1 t′=0.8m
小车向右的位移x2′=v2 t′=1.6m
由图2所示的几何关系可知,当物块落地时,
物块与小车在水平方向上相距x2′-x1′=0.8 m
答:(1)拉动小车过程中拉力F所做的功为36J;
(2)物块落地时的动能10J;
(3)物块落地时,物块与小车左端的水平距离为0.8 m.
为研究静电除尘,有人设计了一个盒状容器,容器侧面是绝缘的透明有机玻璃,它的上下底面是面积A=0.04m2的金属板,间距L=0.05m,当连接到U=2500V的高压电源正负两极时,能在两金属板间产生一个匀强电场,如图所示,现把一定量均匀分布的烟尘颗粒密闭在容器内,每立方米有烟尘颗粒1013个,假设这些颗粒都处于静止状态,每个颗粒带电量为q=+1.0×10-17C,质量为m=2.0×10-15kg,不考虑烟尘颗粒之间的相互作用和空气阻力,并忽略烟尘颗粒所受重力.求合上电键后:
(1)经过多长时间烟尘颗粒可以被全部吸附?
(2)除尘过程中电场对烟尘颗粒共做了多少功?
(3)经过多长时间容器中烟尘颗粒的总动能达到最大?
正确答案
额定功率为80kW的汽车,在平直公路上行驶的最大速度为20m/s,汽车的质量m=2×103kg.如果汽车从静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为2m/s2.运动过程中阻力不变,求:
(1)汽车所受的恒定阻力;
(2)3s末汽车的瞬时功率;
(3)汽车在匀加速运动过程中牵引力所做的功.
正确答案
(1)当阻力等于牵引力时,汽车达到最大速度,
所以Ff==4000N
(2)根据牛顿第二定律得:-Ff=ma
解得 V1=10m/s根据V1=at1解得t1=5s
V2=at2=6m/s所以3s末时汽车还在匀加速运动状态
所以-Ff=ma
解得p2=48kw
(3)汽车在匀加速运动过程中位移为:x=at2=25m
牵引力为:F==8000N
所以牵引力做的功为 W=Fx=2.0×105J
答:(1)汽车所受的恒定阻力为4000N;
(2)3s末汽车的瞬时功率为48kW;
(3)汽车在匀加速运动过程中牵引力所做的功为2.0×105J.
如图所示,质量分别为m1=1kg和m2=2kg的A、B两物块并排放在光滑水平面上,若对A、B分别施加大小随时间变化的水平外力F1和F2,若F1=(9-2t)N,F2=(3+2t)N,设F1、F2的方向不变.则:
(1)经多长时间t0两物块开始分离?
(2)在同一坐标中画出A、B两物块的加速度a1和a2随时间变化的图象?
(3)速度的定义为V=△s/△t,“V-t”图象下的“面积”在数值上等于位移△s;加速度的定义为a=△V/△t,则“a-t”图象下的“面积”在数值上应等于什么?
(4)由加速度a1和a2随时间变化图象可求得A、B两物块,在t=4.5s时A相对B的速度?
正确答案
(1)当两物体分离瞬间加速度相等,A、B间相互作用力为零,
a1=a2,即:=
m2(9-2t0)=m1(3+2t0)代入数据解得:t0=2.5
(2)在0~2.5s,A、B一起运动加速度:a1=a2==4m/s2
t=4.5s时a1=0;a2=6m/s2
两物块的加速度a1、a2随时间的变化图象如答图所示:
(3)则“a-t”图象下的“面积”在数值上应等于其速度的变化量△v
(4)在t=4.5s时,A的加速度等于0,A相对B的速度等于图中阴影部分的“面积”大小,即为VBA=6m/s,方向向左
答:(1)经2.5s两物块开始分离.
(2)如图所示.
(3)“a-t”图象下的“面积”在数值上应等于其速度的变化量△v
(4)在t=4.5s时A相对B的速度为6m/s.
如图所示的装置叫做阿特伍德机,是阿特伍德(G.Atwood1746-1807)创制的一种著名力学实验装置,用来研究匀变速直线运动的规律.绳子两端的物体下落(上升)的加速度总是小于自由落体的加速度g,同自由落体相比,下落相同的高度,所花费的时间要长,这使得实验者有足够的时间从容的观测、研究.已知物体A、B的质量相等均为M,物体C的质量为m,轻绳与轻滑轮间的摩擦不计,绳子不可伸长,如果m=M,求
(1)物体B从静止开始下落一段距离的时间是自由落体下落同样的距离所用时间的几倍?
(2)物体C对B的拉力等于多少?
正确答案
(1)设物体B下落的加速度为a,绳子的张力为T,
以物体A作为研究对象有
T-Mg=Ma…①
以BC作为整体为研究对象有
(M+m)g-T=(M+m)a…②
联立以上两式可解得
a=g…③
又因为m=M,
所以a=g=
g…④
根据运动学公式设B下落的时间为t,下落的位移为h,则有
h=at2…⑤
解得t=
而物体自由落体h的时间t0有
h=gt02…⑥
解得t0=
故有=
=
=2
所以物体B从静止开始下落一段距离的时间是自由落体下落同样的距离所用时间的2倍.
(2)设物体B对物体C的拉力为F,以物体C为研究对象则有
mg-F=ma
故有F=mg-ma=mg=
Mg
根据牛顿第三定律可知物体C对物体B的拉力等于Mg.
如图,一物块从倾角为θ的斜面上A点由静止开始滑下,最后停在水平面上C点处.已知斜面与水平面的材料质地完全相同,已知物块在斜面和水平面上滑行的长度之比L1/L2=k,且斜面AB与水平面BC平滑相接.求:
(1)物块与接触面的动摩擦因数μ;
(2)在斜面和水平面上滑行的时间之比t1:t2.
正确答案
(1)根据动能定理得
mgL1sinθ-μmgcosθ•L1-μmgL2=0
得到μ=
又=k
得到μ=
(2)设物块滑到B点时速度大小为v
则L1=t1,L2=
t2
所以t1:t2=L1:L2=k
答:(1)物块与接触面的动摩擦因数μ=;
(2)在斜面和水平面上滑行的时间之比t1:t2=k.
一辆汽车在恒定牵引力作用下由静止开始沿直线运动,4s内通过8m的距离,此后关闭发动机,汽车又运动了2s停止,已知汽车的质量m=2×103 kg,汽车运动过程中所受阻力大小不变,求:
(1)关闭发动机时汽车的速度大小;
(2)汽车运动过程中所受到的阻力大小;
(3)汽车牵引力的大小.
正确答案
(1)汽车开始做匀加速直线运动,
所以有:x0=t1
解得:v0==4m/s
故关闭发动机时汽车的速度大小为4m/s.
(2)根据运动学公式得:
汽车滑行减速过程加速度:a2==-2m/s2
设阻力大小为Ff,由牛顿第二定律有:-Ff=ma2
解得Ff=4×103 N
故汽车运动过程中所受到的阻力大小4×103 N.
(3)开始加速过程中加速度为a1,则有:
x0=a1
由牛顿第二定律有:F-Ff=ma1
解得F=Ff+ma1=6×103 N.
故汽车牵引力的大小为6×103 N.
答:(1)关闭发动机时汽车的速度大小是4m/s;
(2)汽车运动过程中所受到的阻力大小是4×103 N;
(3)汽车牵引力的大小是6×103 N.
在一个倾斜的长冰道上方,一群孩子排成队,每隔1s有一个小孩子下滑,一游客对着冰道上的孩子拍下一张照片,如图所示照片上有甲、乙、丙、丁四个孩子.他根据照片与实物的比例推算出乙与甲
和乙与丙两孩子间的距离分别为12.5m和17.5m,请你据此求解下列问题.(g取10m/s2)
(1)若不考虑一切阻力,小孩下滑加速度是多少?
(2)拍照时,最下面的小孩丁的速度是多大?
(3)拍照时,在小孩甲上面的冰道上下滑的小孩子不会超过几个?
正确答案
(1)根据匀变速直线运动的推论△x=aT2得,
a==
m/s2=5m/s2.
故小孩下滑的加速度为5m/s2.
(2)小孩乙的速度v乙==
m/s=15m/s.
根据匀变速直线运动的速度时间公式有:v丁=v乙+a•2T=15+5×2=25m/s.
故最下面的小孩丁的速度是25m/s.
(3)小孩乙已下滑的时间t==
s=3s
知乙上面小孩的个数不会超过为3个,则小孩甲上面的冰道上下滑的小孩子不会超过2个.
如图所示,一个人用与水平方向成37°的力F=20N推一个静止在水平面上质量为2kg的物体,物体和地面间的动摩擦因数为0.1.(cos37°=0.8,sin37°=0.6)求
(1)物体的加速度多大
(2)3s末物体的位移多大
(3)5s后撤去F物体还能运动多远.
正确答案
(1)对物体受力分析有:
Fcos37°-f=ma ①
FN=Fsin37°+mg ②
f=FNμ ③
联立①②③的:a=6.4m/s2
故物体的加速度为6.4m/s2.
(2)物体做初速度为零的匀加速直线运动:
s=at2
带入数据得:s=28.8m
故3s末物体的位移为28.8m.
(3)5s后物体的速度为:vt=at=32m/s ④
撤掉力F后物体的加速度为:f=mgμ=ma1 ⑤
所以滑行距离为:s/= ⑥
联立④⑤⑥得:s′=512m
故5S后撤去F物体还能运动的距离为512m.
如图所示,质量为m=10kg的纸箱在推力F的作用下沿水平地面运动,推力F=50N,方向与水平面的夹角为θ≠53°,纸箱与水平地面的动摩擦因数为μ=0.2.(取g=10m/s2,sin53°≈0.8,cos53°≈0.6 ),求:
(1)求纸箱的加速度大小.
(2)纸箱由静止开始运动,第2s内的位移多大?
正确答案
(1)对纸箱受力分析得:
竖直方向:N=mg+Fsin53°=10×10+50×0.8N=140N
所以摩擦力f=μN=28N
根据牛顿第二定律得:
F合=ma
解得:a==
=0.2m/s2
(2)纸箱做匀加速直线运动,则
x=at22-
at12=
×0.2×4-
×0.2×1m=0.3m
答:(1)纸箱的加速度大小为0.2m/s2.
(2)纸箱由静止开始运动,第2s内的位移为0.3m.
如图所示,质量为m的小木块A,放在质量为M的木板B的左端,B在水平拉力的作用下眼水平地面匀速向右运动,且A、B相对静止.某时刻撤去水平拉力,经过一段时间,B在地面上滑行了一段距离s,A在B上相对于B向右滑行了一段距离L后,A和B都停下.已知木板足够长,A、B间的动摩擦因数为μ1,B与地面间的动摩擦因数为μ2,且μ1<μ2,求撤去水平拉力后:
(1)小木块和木板各自的加速度;
(2)小木块和木板滑行时间之比;
(3)木板B移动距离s的表达式.
正确答案
(1)根据牛顿第二定律得,aA=μ1g
aB=
(2)因为A、B的初速度相等,末速度为零,根据v=at知,时间之比等于加速度之反比.
=
(3)对A应用动能定理-f1(L+s)=0-mv2
对B应用动能定理 μ1mgs-μ2(m+M)gs=0-Mv2
解得:消去v解得s=.
答:(1)小木块和木板各自的加速度分别为aA=μ1g,aB=.
(2)小木块和木板滑行时间之比=
.
(3)木板B移动距离s的表达式s=.
风洞实验室中可产生水平方向的.大小可调节的风力.现将一套有小球的细直杆放入风洞实验室,小球孔径略大于细杆直径.
(1)当杆在水平方向上固定时,调节风力的大小,使小球在杆上作匀速运动,这时小球所受的风力为小球所受重力的0.5倍,求小球与杆间的滑动摩擦因数.
(2)保持小球所受风力不变,使杆与水平方向间夹角为37°并固定,则小球从静止出发在细杆上滑下距离S所需时间为多少?(sin37°=0.6,co37°=0.8)
正确答案
(1)设小球所受的风力为F,小球质量为m
F=μmg
故
μ==
=0.5
即小球与杆之间的动摩擦因素为0.5.
(2)设杆对小球的支持力为N,摩擦力为f
沿杆方向
F•cos37°+mgsin37°-f=ma
垂直于杆方向
N+Fsin37°-mgcos37°=0
其中:f=μN
可解得
a==(g+
)sinθ=
g
S=at2
∴t═=
即小球从静止出发在细杆上滑下距离S所需时间为.
在一水平面上静止放着一长L=10cm、质量M=50g的金属板,在板上有一质量为m=50g的小铝块,铝块与板间的动摩擦因数μ1=0.03,金属板与水平面间的动摩擦因数μ2=0.01.现让铝块在金属板上由A端以初速度v0=0.4m/s(相对于水平面)开始运动,求铝块从开始运动到脱离金属板所经历的时间t.(取g=10m/s2)
正确答案
当铝块未脱离金属板前,铝块与金属板间始终有相互作用的摩擦力存在.铝块做匀减速运动,加速度为
a1=μg ①
铝块通过的路程分别为:s1=vat-a1t2 ②
金属板做匀加速运动,加速度为a2,μ1mg-μ22mg=ma2 ③
金属板通过的路程分别为:s2=a2t2 ④
铝块脱离金属板时必有s1-s2=L ⑤
联立①②③④⑤代入数据可解得t1=1-;t2=1+
(舍去)
答:铝块从开始运动到脱离金属板所经历的时间为t1=1-s
如图所示,长L=1.2m、质量M=3kg的木板放在倾角为37°的光滑斜面上,质量m=1kg、带电荷量q=+2.5×10-4 C的物块放在木板的上端,木板和物块间的动摩擦因数μ=0.1,所在空间加有一个方向垂直斜面向下、场强E=4.0×104 N/C的匀强电场.现对木板施加一平行于斜面向上的拉力F=10.8N.取g=10m/s2,斜面足够长.设图示位置木板和物块的速度均为零.试求:
(1)物块离开木板时木板获得的动能;
(2)物块在木板上运动的过程中,由于摩擦而产生的内能.
正确答案
(1)物块向下做加速运动,设其加速度为,木板的加速度为
,
对物块:mgsin37°-μ(mgcos37°+qE)=m,
=4.2m/
对木板:Mgsin37°+μ(mgcos37°+qE)-F=M,解得
=3m/
又t2-
t2=L,可得物块滑过木板所用时间t=
s
物块离开木板时木板的速度v2=t=3
m/s,其动能为
=
M
=27J
故物块离开木板时木板获得的动能为27J.
(2)由于摩擦而产生的内能为 Q=f=μ(mgcos37°+qE)•L=2.16 J
故物块在木板上运动的过程中,由于摩擦而产生的内能为2.16J.
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