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简答题

质量M=3×106kg的列车,在恒定的额定功率下,沿平直的轨道由静止开始出发,在运动的过程中受到的阻力大小f1恒定.列车达到最大行驶速度v=72km/h后,某时刻司机发现前方S=2km处的轨道旁山体塌方,便立即紧急刹车,这时由于刹车所附加的制动力恒为f2=2×105 N,结果列车正好到达轨道毁坏处停下.求:

(1)列车刹车时加速度a的大小;

(2)列车在正常行驶过程中所受的阻力f1的大小;

(3)列车的额定功率P.

正确答案

(1)列车最大速度v=72km/h=20m/s,

列车刹车后做匀减速运动,知道静止,

由匀变速运动的速度位移公式可得,

加速度a===0.1m/s2

(2)列车刹车后,在水平方向受二力作用,

由牛顿第二定律得:f1+f2=ma,

则f1=ma-f2=3×106×0.1 N-2×105 N=1×105 N;

(3)列车达到最大速度时,牵引力等于阻力F=f1

机车额定功率P=Fv=f1•v=1×105×20=2×106W;

答:(1)列车刹车时加速度a的大小为0.1m/s2

(2)列车在正常行驶过程中所受的阻力f1的大小为1×105N;

(3)列车的额定功率为2×106W.

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如图所示,一物体从倾角为30°的斜面顶端由静止开始下滑,s1段光滑,s2段有摩擦,已知s2=2s1,物体到达底部的速度刚好为零,则s2段的动摩擦因数μ为多少?

正确答案

由于斜面的倾角为30°,故在s1段的加速度为:a1=gsin30°=g,

由于s2=2s1,根据υ2=2as知,s2段的加速度只有s1段加速度大小的一半.

即:a2=a1=g,方向向上.

而a2=μgcos30°-gsin30°,

代入数据后解得:μ=

答:s2段的动摩擦因数μ为

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近来,我国多个城市开始重点治理“中国式过马路”行为.每年全国由于行人不遵守交通规则而引发的交通事故上万起,死亡上千人.只有科学设置交通管制,人人遵守交通规则,才能保证行人的生命安全.

如图所示,停车线AB与前方斑马线边界CD间的距离为23m.质量8t、车长7m的卡车以54km/h的速度向北匀速行驶,当车前端刚驶过停车线AB,该车前方的机动车交通信号灯由绿灯变黄灯.

(1)若此时前方C处人行横道路边等待的行人就抢先过马路,卡车司机发现行人,立即制动,卡车受到的阻力为3×104N.求卡车的制动距离;

(2)若人人遵守交通规则,该车将不受影响地驶过前方斑马线边界CD.为确保行人安全,D处人行横道信号灯应该在南北向机动车信号灯变黄灯后至少多久变为绿灯?

正确答案

(1)据题意 由 -=2ax 得:x=     ①

汽车刹车时,阻力产生的加速度为a

由 牛顿第二定律 得 a=                    ②

代入数据得 制动距离 x=30 m                   ③

(2)据题意 汽车不受影响的行驶距离应该是AB与CD间距加车身长度即:x1=30m  ④

故黄灯的持续时间为t  则 t=                 ⑤

代入数据得 时间为t=2 s                   ⑥

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在某城市的一条道路上,规定车辆行驶速度不得超过30km/h.在一次交通事故中,肇事车是一辆卡车,测得这辆卡车紧急刹车(车轮被抱死)时留下的刹车痕迹长为7.2m;经过测试得知这种轮胎与路面间的动摩擦因数为0.7.请判断该车是否超速(取g=10m∕s2).

正确答案

汽车刹车过程做匀减速直线运动,设加速度大小为a,

由牛顿第二定律得:μmg=ma

由运动学公式得:0-υ02=2ax

联立解得汽车的初速度大小为:υ0=

代入数据得:υ0=m/s

=m/s>10 m/s 

故:v0>36 km/h,该车超速.

答:该车已超速.

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如图所示,质量为m=10kg的两个相同的物块A、B(它们之间用轻绳相连)放在水平地面上,在方向与水平方面成θ=37°角斜向上、大小为100N的拉力F作用下,以大小为v0=4.0m/s的速度向右做匀速直线运动,求剪断轻绳后物块A在水平地面上滑行的距离.(取当地的重力加速度(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)

正确答案

设两物体与地面间的动摩擦因素为μ,根据滑动摩擦力公式和平衡条件,

对A、B整体有:.μmg+μ(mg-Fsinθ)=Fcosθ①

剪断轻绳以后,设物体A在水平地面上滑行的距离为s,有

μmg=ma②

v02=2as③

联解方程,代入数据得:s==1.4m

答:剪断轻绳后物块A在水平地面上滑行的距离为1.4m.

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如图所示,水平浅色传送带以V1=2m/s的速 度逆时针匀速传送,一质量为m=2kg的煤块以V2=4m/S的初速度从最左端滑上传送带,两者的动摩擦系数μ=0.2,假设皮带足够长且不考虑煤块质量的变化.

求:(1)煤块对地的最大位移是多少?(2)煤块与皮带的摩擦产生的热量?

正确答案

(1)煤块在皮带上先向右匀减速,后向左匀加速运动,加速度大小a=μg=2m/s2,最后与皮带相对静止.当煤块对地速度为零时,它对地的位移也最大.

=2as,得到:S=4m

即煤块对地的最大位移是4m.

(2)取向右为正,煤块相对皮带的初速度为v0=6m/s,加速度a相对=-2m/s2,当它们相对静止时,两者的相对位移为S相对

由2a相对S相对=0-,得到S相对=9m

所以:Q=Wf=μmgS相对=36J

即煤块与皮带的摩擦产生的热量为36J.

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民用航空客机的机舱,除了有正常的舱门和舷梯连接,供旅客上下飞机,一般还设有紧急出口.发生意外情况的飞机在着陆后,打开紧急出口的舱门,会自动生成一个由气囊构成的斜面,机舱中的人可沿该斜面滑行到地面上来,示意图如图所示.某机舱离气囊底端的竖直高度AB=3.0m,气囊构成的斜面长AC=5.0m,CD段为与斜面平滑连接的水平地面.一个质量m=60kg的人从气囊上由静止开始滑下,人与气囊、地面间的动摩擦因数均为μ=0.5.不计空气阻力,g=10m/s2.求:

(1)人从斜坡上滑下时的加速度大小;

(2)人滑到斜坡底端时的速度大小;

(3)人离开C点后还要在地面上滑行多远才能停下?

正确答案

(1)物体受力如右图所示.

由牛顿运动定律:mgsinθ-μN=ma

                N-mg cosθ=0

解得:a=gsinθ-μgcosθ=2m/s2

(2)由vc2=2as,

得到vc=2m/s

(3)由牛顿运动定律:μmg=ma′

由02-vc2=2(-a′)s′

解得:s′=2.0m

答:(1)人从斜坡上滑下时的加速度大小为2m/s2

    (2)人滑到斜坡底端时的速度大小为2m/s;

    (3)人离开C点后还要在地面上滑行2m才能停下.

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如图所示,水平轨道AB与放置在竖直平面内的1/4圆弧轨道BC相连,圆弧轨道的B端的切线沿水平方向.一质量m=1.0kg的滑块(可视为质点),在水平恒力F=5.0N的作用下,从A点由静止开始运动,已知A、B之间的距离s=5.5m,滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.10,圆弧轨道的半径R=0.30m,取g=10m/s2

(1)求当滑块运动的位移为2.0m时的速度大小;

(2)当滑块运动的位移为2.0m 时撤去F,求滑块通过B点时对圆弧轨道的压力大小;

(3)滑块运动的位移为2.0m时撤去F后,若滑块恰好能上升到圆弧轨道的最高点,求在圆弧轨道上滑块克服摩擦力所做的功.

正确答案

(1)设滑块的加速度为a1,根据牛顿第二定律

F-μmg=ma1

解得:a1=4.0m/s2

设滑块运动的位移为2.0m时的速度大小为v,根据运动学公式

v2=2a1s1

解得:v=4.0m/s

(2)设撤去拉力F后的加速度为a2,根据牛顿第二定律

μmg=ma2

解得:a2=μg=1.0m/s2

设滑块通过B点时的速度大小为vB,根据运动学公式

-v2=-2a2(S-S1)

解得:vB=3.0m/s

设滑块在B点受到的支持力为NB,根据牛顿第二定律

NB-mg=m

解得:NB=40N

根据牛顿第三定律,滑块通过B点时对圆弧轨道的压力为40N.

(3)设圆弧轨道的摩擦力对滑块做功为W,根据动能定理

-mgR+W=0-m

解得:W=-1.5J

圆弧轨道上滑块克服摩擦力所做的功为1.5J.

答:(1)求当滑块运动的位移为2.0m时的速度大小为4.0m/s;

(2)当滑块运动的位移为2.0m 时撤去F,滑块通过B点时对圆弧轨道的压力大小为40N;

(3)滑块运动的位移为2.0m时撤去F后,若滑块恰好能上升到圆弧轨道的最高点,在圆弧轨道上滑块克服摩擦力所做的功为1.5J.

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在民航和火车站可以看到用于对行李进行安全检查的水平传送带,当旅客把行李放到传送带上时,传送带对行李的摩擦力使行李开始运动,最后行李随传送带一起前进,设传送带匀速前进的速度为 0.6m/s,质量为4.0kg的皮箱在传送带上相对滑动时,所受摩擦力为24N,那么,这个皮箱无初速地放在传送带上后,求:

(1)经过多长时间才与皮带保持相对静止?

(2)传送带上留下一条多长的摩擦痕迹?

正确答案

(1)设皮箱在传送带上相对运动时间为t,皮箱放上传送带后做初速度为零的匀加速直线运动,由牛顿运动定律:

皮箱加速度:a==m/s2=6m/s2

由 v=at 得t==s=0.1s     

(2)到相对静止时,传送带带的位移为s1=vt=0.06m

皮箱的位移 s2==0.03m

摩擦痕迹长L=s1--s2=0.03m(10分)

所以,(1)经0.1s行李与传送带相对静止

(2)摩擦痕迹长0.0.03m

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如图所示,质量为0.5kg的物块以5m/s的初速度从斜面顶端下滑,斜面长5m,倾角为37°,物块与斜面间的动摩擦因数μ=0.5.求:

(1)物块在斜面上运动时的加速度大小.

(2)物块滑至斜面中点时的速度.

正确答案

物块受三个力,如图,把重力分解在沿斜面和垂直于斜面的方向上.

则有G1=mgsinθ,G2=mgcosθ,

(1)由牛顿第二定律知N-G2=0,

                  且G1-f=ma

而f=μN

联解以上各式得 a=g(sinθ-μcosθ)=2m/s2

(2)在物块运动到斜面中点时,位移s=L=2.5m

由公式vt2-v02=2as知,此时物块速度

vt==m/s≈5.91m/s

答:

(1)物块在斜面上运动时的加速度大小是2m/s2

(2)物块滑至斜面中点时的速度是5.91m/s.

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质量为2kg的物体,在F=8N的水平拉力的作用下,沿着水平面从静止开始运动,物体与水平面间的动摩擦因数为0.1(g取10m/s2).求:

(1)物体运动的加速度的大小;

(2)当物体速度达到10m/s时,立即撤去水平拉力,物体还能向前滑行多远?

正确答案

(1)受力分析如图所示

f=μFN

FN=mg

F-f=ma

联立解得 a=3m/s2 

(2)撤去外力后,物体的加速度:a′=

由0-v2=2a′x 

得x=50m 

答:(1)物体运动的加速度的大小为3m/s2

(2)物体还能向前滑行50m.

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2009年1月,胶东半岛地区普降大雪,给人们出行带来困难.为了安全行车,某司机在冰雪覆盖的平直公路上测试汽车的制动性能.车速v=36km/h时紧急刹车(可认为轮不转动),车轮在公路上划出一道长L=50m的刹车痕迹,取g=10m/s2.求:

(1)车轮与冰雪路面间的动摩擦因数;

(2)若该车以28.8km/h的速度在同样路面上行驶,突然发现正前方停着一辆故障车.为避免两车相撞,司机至少应在距故障车多远处采取刹车措施.已知司机发现故障车至实施刹车的反应时间为△t=0.6s.

正确答案

(1)由牛顿第二定律a=μg

        0-v2=-2aL   

得μ===0.1

故车轮与冰雪路面间的动摩擦因数为0.1.

(2)v0=8 m/s

在反应时间内的位移:x1=v0t=8×0.6 m=4.8 m

由牛顿第二定律及速度-位移关系,得0-v02=-2μgx2

得刹车位移x2== m=32 m

x=x1+x2=36.8 m.

故司机至少应在距故障车36.8m处采取刹车措施.

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冰壶比赛是在水平冰面上进行的体育项目,比赛场地示意如图.比赛时,运动员从起滑架处推着冰壶出发,在投掷线AB处放手让冰壶以一定的速度滑出,使冰壶的停止位置尽量靠近圆心O.为使冰壶滑行得更远,运动员可以用毛刷擦冰壶运行前方的冰面,使冰壶与冰面间的动摩擦因数减小.设冰壶与冰面间的动摩擦因数为μ,用毛刷擦冰面后动摩擦因数减小至.若O点到AB的距离为l,重力加速度为g,在某次比赛中,运动员使冰壶C在AB中点处以v0的速度沿虚线滑出.为使冰壶C能够沿虚线恰好到达圆心O点,运动员用毛刷擦冰面的长度应为多少?

正确答案

设冰壶在未被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x1,加速度大小为a1;在被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x2,加速度大小为a2

用毛刷开始擦冰面时冰壶的速度为v,则

由μmg=ma1,得:a1=μg

μmg=ma2,得:a2=μg

又2a1x1=-v2

又2a2x2=v2

而x=x1+x2

解得:x2=2l-

答:运动员用毛刷擦冰面的长度应为2l-

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一小滑块静止在倾角为37°的固定斜面的底端,当滑块受到外力冲击后,瞬间获得一个沿斜面向上的速度v0=4.0m/s.已知斜面足够长,滑块与斜面之间的动摩擦因数μ=0.25,sin37°=0.6,cos37°=0.8,取g=10m/s2.求:

(1)滑块沿斜面上滑过程的加速度大小.

(2)滑块沿斜面上滑的最大距离.

(3)滑块返回斜面底端时速度的大小.

正确答案

(1)设滑块质量为m,上滑过程的加速度大小为a,根据牛顿第二定律,有mgsin37°+μmgcos37°=ma

所以,a=(sin37°+μcos37°)g=8.0m/s2

(2)滑块上滑做匀减速运动,根据位移与速度的关系公得最大距离

s==1.0m

(3)设滑块滑到底端的速度大小为v,全程运用动能定理,有

-(μmgcos37°)×2s=mv 2-mv02

所以,v==2m/s=2.8m/s

答:(1)滑块沿斜面上滑过程的加速度大小为8.0m/s2

(2)滑块沿斜面上滑的最大距离为1.0m.

(3)滑块返回斜面底端时速度的大小为2.8m/s.

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如图所示,总质量为m=75kg的滑雪者以初速度v0=8m/s沿倾角为θ=37°的斜面向上自由滑行,已知雪橇与斜面问动摩擦因数μ=0.25,假设斜面足够长.不计空气阻力.试求:

(1)滑雪者沿斜面上滑的最大距离.

(2)若滑雪者滑至最高点后掉转方向向下自由滑行,求他滑到起点时的速度大小.

正确答案

(1)上滑过程中对人进行受力分析,滑雪者受重力mg,弹力FN,摩擦力f,并设滑雪者的加速度为a1,受力如图

根据牛顿第二定律有:

mgsinθ+f=ma1,a1 的方向沿斜面向下.           ①

由平衡关系有:FN=mgcosθ                        ②

根据动摩擦定律有:f=μFN                          ③

由以上各式解得:a1=g(sinθ+μcosθ)=8m/s       ④

滑雪者沿斜面向上做匀减速直线运动,减速到零的位移为:x==4m   ⑤

即滑雪者上滑的最大距离为4m

(2)滑雪者沿斜面下滑时,滑雪者收到的摩擦力沿斜面向上,受力如图

设加速度大小为a2

根据牛顿第二定律有:

mgsinθ-f=ma2              ⑥

由平衡关系有:FN=mgcosθ                  ⑦

根据动摩擦定律有:f=μFN                         ⑧

由以上各式解得:a2=g(sinθ-μcosθ)=4m/s2  ⑨

滑雪者沿斜面向下做初速度为零的匀加速直线运动,滑到出发点的位移为:x=4m/s

则滑雪者再次回到起点的速度为:v==4m/s=5.7m/s   ⑩

答:(1)滑雪者沿斜面上滑的最大距离4m

    (2)滑雪者再次回到起点的速度为5.7m/s

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