- 牛顿运动定律
- 共29769题
一质量为4kg的物体静止在粗糙的地面上,物体与地面的动摩擦因数为0.2,用一水平力F=10N 拉物体由A点开始运动,经过8s后撤去拉力F,再经过一段时间物体到达B点停止.(g=10m/s2)求:
(1)在拉力F作用下物体运动的加速度多大?
(2)撤去F后物体运动的距离多大?运动时间多长?
(3)画出物体整个运动过程的速度-时间图象.
正确答案
(1)加速时,物体受重力、拉力、支持力和摩擦力四个力的作用,由牛顿第二定律:
F-μmg=ma1
解得:a1=0.5m/s2
(2)加速过程中由运动学公式得 v=a1t1=4m/s,
撤去F后 a2=-μg=-2 m/s2
由 2a2x2=0-v2
所以 x2=4m,
由速度公式可得 0-v=a2t2
所以 t2=2s.
(3)由(1)(2)的分析可知,物体的初速度为0,做匀加速运动,经8s,速度达到=4m/s,
之后开始匀减速运动,经2s,速度减为0.所以速度-时间图象如图所示.
答:(1)在拉力F作用下物体运动的加速度0.5m/s2,
(2)撤去F后物体运动的距离是4m,时间是2s,
(3)整个运动过程的速度-时间图象如图所示.
如图所示,一质量为M的木板B静止在光滑的水平面上,其右端上表面紧靠(但不粘连)在固定斜面轨道的底端(斜面底端是一小段光滑的圆弧,其末端切线水平),轨道与水平面的夹角θ=37°,一质量为m的物块A从斜面上距离斜面底端8m处由静止释放,最后物块A刚好没有从木板B左端滑出,已知物块A与斜面间的动摩擦因数为0.25,与木板B上表面间的动摩擦因数为0.3,木板的长度L=8m,物块A可看作质点.sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2)求:
(1)物块A刚滑上木板B时的速度有多大?
(2)物块A与木板B的质量之比为多少?
(3)物块A从开始下滑到相对木板B静止共经历了多长时间?
正确答案
(1)沿斜面下滑的加速度为a,则由,
mgsinθ-μmgcosθ=ma,
∴a=gsinθ-μgcosθ=4m/s2
由V2=2ax 得,
物块A刚滑上木板B时的速度,
v==
=8m/s,
(2)物块A在B上滑动时,A的加速度大小a1=μ'g=3m/s2;
木板B的加速度大小a2=
物块A刚好没有从木板B左端滑出,即:物块A在木板B左端时两者速度相等;
设物块A在木板B上滑行的时间t,速度关系:v-a1t=a2t,
物块A刚好没有从木板B左端滑出,位移关系:vt-a1t2=
a2t2+L,
解得:a2=1m/s2;t=2s;=
,
(3)物块沿斜面下滑的时间:t1==2s,
物块A在木板B上滑行的时间t=2s,
物块A从开始下滑到相对木板B静止共经历的时间tz=t1+t=4s,
答:(1)物块A刚滑上木板B时的速度8m/s,
(2)物块A与木板B的质量之比为
.
(3)物块A从开始下滑到相对木板B静止共经历了4s.
如图所示,固定不动的水平平台长L=1.25m,高h=0.80m,货物(可以视为质点)质量m=4.0kg静止在水平平台的左端,商场工作人员用F=24N的水平力把货物施向右拉动一段距离后撤去作用力,货物从平台上又滑动一段距离后落在水平地面上,落地点到平台右端的水平距离s=0.40m.货物与平台之间的动摩擦因数μ=0.20,取重力加速度g=10m/s2.求:
(1)水平力作用时,货物运动的加速度大小
(2)货物离开平台右端时的速度大小
(3)水平力作用的距离大小.
正确答案
(1)货物收到的动摩擦力f=μmg
货物的加速度a=
解得:a=4.0m/s2
(2)货物做平抛运动过程
竖直方向:h=gt2
水平方向:s=vt
解得:v=1.0m/s
(3)货物在平台运动的整个过程,由动能定理得:
Fx-fL=mv2
解得:水平力作用的距离x=0.50m
答:(1)水平力作用时,货物运动的加速度大小为4.0m/s2.
(2)货物离开平台右端时的速度大小为1.0m/s.
(3)水平力作用的距离为0.50m.
如图所示,一质量为2kg的木板B静止在光滑的水平面上,其右端上表面紧靠一固定斜面轨道的底端(斜面底端与木块B右端的上表面之间有一段小圆弧平滑连接),轨道与水平面的夹角θ=37°,一质量也为2kg的物块A由距轨道底端8m处的斜面轨道上静止释放,物块A刚好没有从木板B的左端滑出,已知物块A与斜面轨道间的动摩擦因数均为0.25,与木板B上表面间的动摩擦因数均为0.2,sinθ=0.6,cosθ=0.8,g 取 10m/s2,物块A可看作质点.请问:
(1)物块A刚滑上木板B时的速度有多大?
(2)木板B的长度为多少?
(3)物块A从开始下滑到相对木板B静止共经历了多长时间?
正确答案
(1)沿斜面下滑的加速度为a,则有:
mgsinθ-μmgcosθ=ma,
∴a=gsinθ-μgcosθ=4m/s2
由V2=2ax 得物块A刚滑上木板B时的速度:v==8m/s,
(2)物块A在B上滑动时,A的加速度大小:a1=μ'g=3m/s2;
木板B的加速度大小:a2==2m/s2;
物块A刚好没有从木板B左端滑出,即:物块A在木板B左端时两者速度相等;
设物块A在木板B上滑行的时间t,速度关系:v-a1t=a2t,
物块A刚好没有从木板B左端滑出,位移关系:vt-a1t2=
a2t2+L,
解得:L=8m;t=2s;
(3)物块沿斜面下滑的时间:t1==2s
物块A在木板B上滑行的时间:t=2s,
物块A从开始下滑到相对木板B静止共经历的时间tz=t1+t=4s,
答:(1)物块A刚滑上木板B时的速度8m/s;
(2)木板B的长度为8m;
(3)物块A从开始下滑到相对木板B静止共经历4s.
如图(a)所示,A、B为水平放置的平行金属板,板间距离为d(d远小于板的长和宽).在两板之间有一带负电的质点P.已知若在A、B间加电压Uo,则质点P可以静止平衡.现在A、B间加上如图(b)所示的随时间t变化的电压u.在t=0时质点P位于A、B间的中点处且初速为零.已知质点P能在A、B之间以最大的幅度上下运动而又不与两板相碰,求图(b)中u改变的各时刻t1、t2、t3及tn的表达式.(质点开始从中点上升到最高点,及以后每次从最高点到最低点或从最低点到最高点的过程中,电压只改变一次.)
正确答案
设质点P的质量为m,电量大小为q,根据题意,当A、B间的电压为U0时,有
=mg,
当两板间的电压为2U0时,P的加速度向上,其大小为a,则
-mg=ma,
解得a=g.
当两板间的电压为零时,P自由下落,加速度为g,方向向下.
在t=0时,两板间的电压为2U0,P自A、B间的中点向上做初速度为零的匀加速运动,加速度为g.设经过时间τ1,P的速度变为v1,此时使电压变为零,让P在重力作用下做匀减速运动,再经过时间τ1′,P正好到达A板且速度为零,故有
v1=gτ1,0=v1-gτ1′,
d=
gτ12+v1τ1′-
gτ1′2,
由以上各式,得
τ1=τ1′,τ1=,
因为t1=τ1,得t1=.
在重力作用下,P由A板处向下做匀加速运动,经过时间τ2,速度变为v2,方向向下,这时加上电压使P做匀减速运动,经过时间τ2′,P到达B板且速度为零,故有
v2=gτ2,0=v2-gτ2′,
d=gτ22+v2τ2′-
gτ2′2,
由以上各式,得τ2=τ2′,τ2=,
因为t2=t1+τ1′+τ2,
得t2=(+1)
.
在电场力与重力的合力作用下,P由B板处向上做匀加速运动,经过时间τ3,速度变为v3,此时使电压变为零,让P在重力作用下做匀减速运动.经过时间τ3′,P正好到达A板且速度为零,故有
v3=gτ3,0=v3-gτ3′,
d=gτ32+v3τ3′-
gτ3′2
由上得τ3=τ3′,τ3=,
因为t3=t2+τ2′+τ3,
得t3=(+3)
.
根据上面分析,因重力作用,P由A板向下做匀加速运动,经过时间τ2,再加上电压,经过时间τ2′,P到达B且速度为零,因为t4=t3+τ3′+τ2,
得t4=(+5)
.
同样分析可得
tn=(+2n-3)
.(n≥2)
故图(b)中u改变的各时刻t1=,t2=(
+1)
,t3=(
+3)
,及tn=(
+2n-3)
(n≥2).
一同学想研究电梯上升过程的运动规律.某天乘电梯上楼时他携带了一个质量为5kg的重物和一套便携式DIS实验系统,重物悬挂在力传感器上.电梯从第一层开始启动,中间不间断一直到最高层停止.在这个过程中,显示器上显示出的力随时间变化的关系如图所示.取重力加速度g=10m/s2,根据图象中的数据,求:
(1)电梯在加速阶段的加速度a1与减速阶段a2的加速度的大小;
(2)电梯在3.0~13.0s内的速度u1的大小与电梯在19.0s内上升的高度H.
正确答案
(1)电梯上升可分为三个阶段,加速上升、匀速运动、减速上升,由图可知,电梯在0-3s内匀加速速上升,3-13s内匀速上升,13-19s内匀减速上升.
由图知,电梯在加速上升时对重物的拉力F1=58N,电梯在减速上升时对重物的拉力F2=46N,根据牛顿第二定律有砝码产生加速度F1-mg=ma1,F2-mg=ma2,
代入数据解得 a1=1.6m/s2,a2=-0.8m/s2 负号表示加速度的方向与拉力方向相反,大小为0.8m/s2 .
(2)物体匀加速运动3s后做匀速运动,匀速运动的速度为匀加速运动的末速度,故
3s末的速度v=a1t1=1.6×3m/s=4.8m/s
(3)电梯匀加速速上升的距离h1=a1
=7.2m
电梯匀速上升的距离h2=vt2=4.8×10m=48m
电梯匀减速上升的距离h3=vt2+a2
=14.4m
所以电梯在19s内上升的高度H=h1+h2+h3=69.6m
答:
(1)电梯在最初加速阶段的加速度a1大小为1.6m/s2与最后减速阶段的加速度a2的大小为0.8m/s2;
(2)电梯在3.0~13.0s时段内的速度v的大小为4.8m/s;
(3)电梯在19.0s内上升的高度H为69.6m.
质量为2kg的物体,由斜面底部以3.8m/s的初速度沿斜面上滑,斜面固定且足够长,倾角37°,物体与斜面间的摩擦系数为0.2,求:物体运动能够上滑的最大距离.(g=10m/s2)
正确答案
由受力分析可知物体在上滑的过程中所受摩擦力方向沿斜面向下.
f=μFN
而正压力FN=mgcos37°,
重力沿斜面向下的分力大小为mgsin37°,
故有mgsin37°+μmgcos37°=ma
由上式可得物体的加速度大小a=gsin37°+μgcos37°=7.6m/s2,方向沿斜面向下.
根据vt2-vo2=-2as
得S=0.95m.
答:物体运动能够上滑的最大距离为0.95m.
苏州乐园一种娱乐器械可以使人体验超重和失重.一个可乘十多人的座舱套装在竖直的柱子上,由升降机送上几十米的高处,然后让座舱自由落下.落到一定位置时,制动系统启动,到地面时刚好停下.已知座舱开始下落时的高度为75m,当落到离地面30m的位置时开始制动,座舱均匀减速.若座舱中某人手托着重50N的铅球.试求:
(1)座舱运动过程中的最大速度
(2)当座舱落到离地面50m的位置时,铅球处于什么状态?人手的感觉如何?
(3)当座舱落到离地面15m的位置时,手要用多大的力才能托住铅球?
正确答案
(1)根据题意可知,座舱的运动分为两个阶段,第一阶段为自由落体运动,第二阶段为匀减速直线运动直到静止,故速度最大的时刻为刚开始制动的那个时刻,
最大速度为自由落体运动的末速度,根据2gh=v2-v02 可得:
v==
m/s=30m/s
(2)当座舱落到离地面50m的位置时,铅球做自由落体运动,加速度为重力加速度,故处于完全失重状态,
此时铅球只受重力作用,人手对铅球没有作用力,故人手感觉不到任何压力.
(3)因为当落到离地面30m的位置时开始制动,此后座舱做匀减速直线运动直到落到地面上,加速度不发生变化,铅球的运动情况与座舱相同,
所以当座舱落到离地面15m的位置时,铅球做匀减速直线运动,则
2ax=v2-v02 a=m/s2=15m/s2
根据牛顿第二定律可知:
F-mg=ma
F=ma+mg=(5×15+50)N=125N
答(1)最大速度为30m/s;
(2)当座舱落到离地面50m处时小球处于完全失重状态,人未能感觉到任何压力;
(3)当座舱落到离地面15m处手需要用125N的力才能托住小球.
如图是某人在一次乘电梯向上运动的v-t图象.已知g=10m/s2,请根据图象回答下列问题.
(1)请简要描述整个运动的加速度情况;
(2)请计算整个运动的总位移有多大;
(3)在电梯运动过程中,将体重计放在电梯的水平地板上,人站在体重计上不动.已知人的质量是50kg,那么,在0~3s内体重计的示数应该是多少;
(4)若在第3s末,人从距电梯地板1.8m处自由释放一个小钢球,试计算小钢球经多长时间落到电梯的地板上.
正确答案
(1)速度图象的斜率等于物体的加速度,
故由速度图象可知物体在0~3s内做加速度a1==
=1m/s2故物体在0~3s内做初速度为0加速度为1m/s2有加速直线运动.
物体在3s~8s内速度保持不变,即做做匀速直线运动;
物体在8s~10s内做加速度a2==
=-1.5m/s2负号表示物体做匀减速直线运动.
(2)由于速度v>0,故人始终向上运动,
根据速度时间图象与时间轴围成的面积等于物体的位移,可知整个运动的总位移
x总=(5+10)×3=
×(5+10)×3=22.5m
(3)在0~3s对人进行受力分析如图:
据牛顿第二定律,有:
N-mg=ma1故人所受的支持力为
N=mg+ma1=550N,
故体重计示数为=
=55kg.
(4)方法一:因球开始下落前球与电梯具有相同的速度,即小球相对于电梯静止,而小球开始下落后由于电梯仍做匀速直线运动,
所以以电梯做为参照系小钢球仍可看成自由落体运动.
由h=gt2
解得:t=0.6s
所以,小钢球经过0.6s落到电梯的地板上.
方法二:小球由静止释放后小相对于地面做竖直上抛运动,而电梯仍做匀速直线运动.
以小球为研究对象,则小球相对于地面的位移
x1=v0t-gt2以电梯为研究对象,则电梯相对于地面的位移
x2=v0t
小球相对于电梯的位移
x=x2-x1=gt2=1.8
解得t=0.6s
故小球经过0.6s落到电梯的地板上.
消防队员为缩短下楼时间,往往抱着一根竖直杆直接滑下.假设一名质量为60kg的消防队员从离地面18m的高度抱着竖直的杆先做自由落体运动,下降7.2m后立即抱紧直杆,做匀减速下滑.已知消防队员着地时的速度是6m/s,抱紧直杆时,手和腿对杆的压力为1800N,手和腿与杆之间的动摩擦因数为0.5,设当地的重力加速度 g=10m/s2.假设杆是固定在地面上的,杆在水平方向不移动.试求:
(1)消防队员下滑过程中的最大速度
(2)消防队员下滑过程中受到的滑动摩擦力
(3)下滑总时间.
正确答案
(1)消防队员开始阶段自由下落的末速度即为下滑过程的最大速度vm,
有2gh1=vm2.
消防队员受到的滑动摩擦力
Ff=μFN=0.5×1 800 N=900 N.
减速阶段的加速度大小:
a2==5 m/s2
减速过程的位移为h2,由vm2-v′2=2a2h2 v′=6m/s
又h=h1+h2
以上各式联立可得:vm=12 m/s.
(3)根据h1=gt12
解得:t1=1.2s
设匀减速运动的时间为t2,则
t2==
s=1.2s
所以下滑的总时间t=t1+t2=2.4s
答:(1)消防队员下滑过程中的最大速度为12 m/s;
(2)消防队员下滑过程中受到的滑动摩擦力为900N;
(3)下滑总时间为2.4s.
(1)用螺旋测微器(千分尺)测小球直径时,示数如图甲所示,这时读出的数值是______mm;用游标卡尺(卡尺的游标有20等分)测量一支铅笔的长度,测量结果如图乙所示,由此可知铅笔的长度是______cm.
(2)①在验证牛顿第二定律的实验中,为了研究质量不变时,加速度和作用力的关系,一位同学将一端带滑轮的木板放在水平桌面上,安装好打点计时器,面后连续做了五次实验.在做第一次实验时,砂和砂桶的总质量为m1,小车质量M=20m1,以后每次在砂桶里增加质量为△m的砂子,△m=.这五次实验中,若用砂和砂桶的总重力表示小车所受的合力,则第______次实验的数据误差最大,按这五组数据画出的a-F图象应是下列图中的______.
②在此实验中,当砂和砂桶的总质量远小于小车总质量时,拉小车的力可认为等于砂和砂桶总重力.设此拉力为F实,而将小车真正受到的力设为F真,若定义×100%为实验的百分误差,如果实验要求误差不大于5%,则当小车的总质量为200g时,砂和砂桶的总质量最大不能超过______g.
正确答案
(1)螺旋测微器的固定刻度读数为8mm,可动刻度读数为0.01×47.3mm=0.473mm,所以最终读数为:8mm+0.474=8.473mm;
游标尺上总共是20个小格,故其精度为0.05mm,,主尺读数为10cm=100mm,游标尺上第12个刻度与主尺上某一刻度对齐,故游标读数为:0.05×12mm=0.60mm,所以最终读数为:100mm+0.60mm=100.60mm=10.060cm.
故答案为:8.473(8.472-8.474),10.060.
(2)①根据实验原理可知:当砂和砂桶的总质量远小于小车总质量时,拉小车的力可认为等于砂和砂桶总重力,因此随着随着砂桶和砂子的质量增加,误差会越来越大,故第五组实验误差最大;根据题目可知该同学没有平衡摩擦力,因此当绳子上有拉力时,小车的加速度为零,故AB错误,因此随着随着砂桶和砂子的质量增加,不再满足砂和砂桶的总质量远小于小车总质量,会出现误差,小车的加速度会比理论值小,故C正确,D错误.
故答案为:五,C.
②根据牛顿第二定律有:
对M:F真=Ma ①
对m:mg-F真=ma ②
联立①②解得:F真= ③
由题意可知:×100%≤5% ④
联立③④将M=200g带入解得m≤10g.
故答案为:10.
如图所示,在长为L=75cm的静止竖直筒中有一大小不计的小球,筒与球的总质量为4kg.现对筒施加一竖直向下大小为21N的恒力,使筒竖直向下运动,经t=0.5s,小球恰好到达筒口,求小球的质量.
正确答案
小球与筒底分离,而做自由落体运动:h1=gt2=1.25m
筒竖直向下的位移为:h2=h1+L=2m
筒在外力作用下加速运动,由h2=at2
得:a==16m/s2
对筒由牛顿第二定律可得:F+m2g=m2a
解之得:m2=3.5kg
小球的质量:m1=M-m2=0.5kg
答:小球的质量为0.5kg.
海豚靠尾部来推动下部的水,能够从水中高高跃起,被誉为“会飞的鱼”.一身长l=1.8m,质量m=65kg的海豚,跃起后从h1=1.0m的高度处自由下落,尾部接触水面后经过时间t=0.25s身体速度降为零,紧接着尾部用力F向下拍打水,又向上跃起h2=0.5m,假定上升、下降两个阶段尾部与水的作用力分别都是恒力,求上升阶段尾部与水的作用力F.(取g=10m/s2)
正确答案
自由下落1.0m的末速度υ1==2
m/s.
在减速时间为0.25s的匀减速阶段,重心下落的高度h=t=0.56m.
竖直向上跃起的速度υ2==
m/s
离开水面之前上升的加速度:a==8.93m/s2
设尾部与水面的作用力F,由牛顿第二定律有:F-mg=ma
解得F=m(g+a)=1230N.
答:上升阶段尾部与水的作用力F=1230N.
质量m=1kg的小球在长为L=1m的细绳作用下在竖直平面内做圆周运动,细绳能承受的最大拉力Tmax=46N,转轴离地h=6m,g=10m/s2.试求:
(1)在若要想恰好通过最高点,则此时的速度为多大?
(2)在某次运动中在最低点细绳恰好被拉断则此时的速度v=?
(3)绳断后小球做平抛运动,如图所示,求落地水平距离x?
正确答案
(1)当小球恰好通过最高点时,小球只受重力.设此时速度为v0
故:mg=m
∴v0==
m/s
(2)小球在最低点受力如图所示,由牛顿第二定律得:Tmax-mg=m
代入数据得:v=6m/s
(3)细绳断后,小球做平抛运动,设水平距离为x
则有:h-L=gt2
得:t=1s
x=vt
得x=6m
答:(1)在若要想恰好通过最高点,则此时的速度为m/s;
(2)在某次运动中在最低点细绳恰好被拉断则此时的速度为6m/s;
(3)绳断后小球做平抛运动,如图所示,落地水平距离x为6m.
一长l=0.80m的轻绳一端固定在O点,另一端连接一质量m=0.10kg的小球,悬点O距离水平地面的高度H=1.00m.开始时小球处于A点,此时轻绳拉直处于水平方向上,如图所示.让小球从静止释放,当小球运动到B点时,轻绳碰到悬点O正下方一个固定的钉子P时立刻断裂.不计轻绳断裂的能量损失,取重力加速度g=10m/s2.求:
(1)当小球运动到B点时的速度大小;
(2)绳断裂后球从B点抛出并落在水平地面的C点,求C点与B点之间的水平距离;
(3)若OP=0.6m,轻绳碰到钉子P时绳中拉力达到所能承受的最大拉力断裂,求轻绳能承受的最大拉力.
正确答案
(1)设小球运动到B点时的速度大小vB,由机械能守恒定律得m
=mgl①
解得小球运动到B点时的速度大小vB==4.0 m/s ②
(2)小球从B点做平抛运动,由运动学规律得x=vBt③
y=H-l=gt2④
解得C点与B点之间的水平距离x=vB•=0.80m ⑤
(3)若轻绳碰到钉子时,轻绳拉力恰好达到最大值Fm,由牛顿定律得Fm-mg=m ⑥
r=l-d ⑦
由以上各式解得Fm=9N
答:(1)当小球运动到B点时的速度大小为4m/s.
(2)C点与B点之间的水平距离为0.80m.
(3)轻绳能承受的最大拉力为9N.
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