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简答题

如图所示,在海滨游乐场里有一种滑沙运动.某人坐在滑板上从斜坡的高处A点由静止开始滑下,滑到斜坡底端B点后,沿水平的滑道再滑行一段距离到C点停下来.若人和滑板的总质量m=60.0kg,滑板与斜坡滑道和水平滑道间的动摩擦因数均为μ=0.50,斜坡的倾角θ=37°(sin37°=0.6,cos37°=0.8),斜坡与水平滑道间是平滑连接的,整个运动过程中空气阻力忽略不计,重力加速度g取10m/s2.求:

(1)人从斜坡上滑下的加速度为多大?

(2)若AB的长度为25m,求BC的长度为多少?

正确答案

(1)人在斜面上受力如图所示,建立图示坐标系,设人在斜坡上滑下的加速度为a1,由牛顿第二定律有:

mgsinθ-Ff1=ma1    

FN1-mgcosθ=0

又 Ff1=μFN1

联立解得:a1=g(sinθ-μcosθ)

代入数据得:a1=2.0 m/s2

(2)人滑到B点时:υB==10m/s  

在水平轨道上运动时Ff2=ma2

得a2=μg=5m/s2

由 υc2B2=2a2sBC   

  sBC==10m  

答:

(1)人从斜坡上滑下的加速度为2.0 m/s2

(2)若AB的长度为25m,BC的长度为10m.

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质量为60kg的消防队员从一根固定的竖直金属杆上由静止滑下,经2.5s落地.消防队员受到的竖直向上的摩擦力变化情况如图所示,取g=10m/s2.在消防队员下滑的过程中:

(1)他向下加速与减速的加速度大小分别多大?

(2)他落地时的速度多大?

(3)他克服摩擦力做的功是多少?

正确答案

(1)消防队员的重力G=mg=600N,则该队员先在t1=1s的时间内以加速度a1匀加速下滑,然后在t2=1.5s的时间内以加速度a2匀减速下滑.

在第1s内,由牛顿第二定律,得:

    mg-f1=ma1 

得a1=g-=10-=4(m/s2

后1.5s内由牛顿第二定律得:

   f2-mg=ma2

得a2=-g=-10=2(m/s2

(2)他在1s末时的速度为

   vm=a1t1=4×1=4m/s

落地时的速度

vt=vm-a2t2=4-2×1.5=1m/s

(3)该队员在第1s内下滑的高度

h1=a1t12=×4×12m=2m

在后1.5 s内下滑的高度

h1=h2=vmt2-a2t22=(4×1.5-×2×1.52)m=3.75m

他克服摩擦力做的功为W=f1h1+f2h2=(360×2+720×3.75)J=3420J

答:

(1)他向下加速与减速的加速度大小分别为4m/s2和2m/s2

(2)他落地时的速度为1m/s.

(3)他克服摩擦力做的功是3420J.

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如图所示,将质量为的平台A连结在劲度系数的弹簧上端,弹簧下端固定在地上,形成竖直方向的弹簧振子,在A的上方放置的物块B,使A、B一起上下振动,弹簧原长为5cm.A的厚度可忽略不计,取10求:

(1)当系统做小振幅简谐振动时,A的平衡位置离地面C多高?

(2)当振幅为0.5cm时,B对A的最大压力有多大?

(3)为使B在振动中始终与A接触,振幅不能超过多大?

正确答案

(1)(2)(3)振幅不能大于1cm

(1)振幅很小时,A、B间不会分离,将A和B整体作为振子,当它们处于平衡位置时,根据平衡条件得(1分)

得形变量(2分)

平衡位置距地面高度(2分)

(2)当A、B运动到最低点,有向上的最大加速度,此时A、B间相互作用力最大,设振幅为A  

最大加速度(3分)

取B为研究对象,有(2分)

得A、B间相互作用力(2分)

由牛顿第三定律知,B对A的最大压力大小为(1分)

(3)为使B在振动中始终与A接触,在最高点时相互作用力应满足:(2分)

取B为研究对象,,当N=0时,B振动的加速度达到最大值,且最大值(方向竖直向下)(1分)因,表明A、B仅受重力作用,此刻弹簧的弹力为零,弹簧处于原长(1分)

   振幅不能大于1cm(1分)

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在深圳欢乐谷中,有一种大型游戏机叫“太空梭”.参加游戏的游客被安全带固定在座椅上,由电动机将座椅沿光滑的竖直轨道提升到离地面50m高处,然后由静止释放.为研究方便,可以认为座椅沿轨道做自由落体运动1.5s后,开始受到恒定阻力而立即做匀减速运动,且下落到离地面5m高处时速度刚好减小到零.然后再让座椅以相当缓慢的速度稳稳下落,将游客送回地面.(取g=10m/s2)求:

(1)座椅在自由下落结束时刻的速度是多大?

(2)座椅在匀减速阶段的时间是多少?

(3)假设游客的体重是60kg,在匀减速阶段座椅对游客的作用力大小有多少?

正确答案

(1)设座椅在自由下落结束时刻的速度为v,下落时间为:t1=1.5s

有:v=gt1=10×1.5m/s=15m/s

(2)设座椅自由下落和匀减速运动的总高度为h,总时间为t

所以:h=50-5=45(m)

根据匀变速直线运动的平均速度公式知=知自由落体和匀减速下落过程中的平均速度相等,则根据位移可知h=t

可得游客整个下落过程中的时间:t==s=6s

设座椅匀减速运动的时间为t2,则有:t2=t-t1=6-1.5=4.5s

(3)设座椅在匀减速阶段的加速度大小为a,座椅对游客的作用力大小为F

由v-at2=0得匀减速下落时的加速度大小为:

a==m/s2=m/s2

由牛顿第二定律:F-mg=ma得座椅对游客的作用力

F=mg+ma=60×(10+)N=800N

答:(1)座椅在自由下落结束时刻的速度是多大15m/s;

(2)座椅在匀减速阶段的时间是4.5s;

(3)假设游客的体重是60kg,在匀减速阶段座椅对游客的作用力大小有800N.

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如图所示,沿着倾角为37°的足够长的斜面AB,使质量为m=1kg的物体以速度v0=10m/s的速度由底端A向上滑动,到达最高点B;空气阻力不计,物体与斜面间的动摩擦因数为μ=0.25,取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8求:

(1)AB间距s为多少?

(2)物体返回A点时的速度v多大?

正确答案

(1)物体上滑过程,由动能定理得:

-mgssin37°-μmgscos37°=0-mv02

解得:s=6.25m;

(2)下滑过程,由动能定理得:

mgssin37°-μmgscos37°=mv2-0,

解得:v=5m/s;

答:(1)AB间距s为6,25m;

(2)物体返回A点时的速度为你5m/s.

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某物体质量为m,在光滑水平面上与运动方向相同的恒力F的作用下,发生一段位移L,速度由v1增加到v2

(1)试从牛顿定律出发,导出动能定理的表达式.

(2)运用动能定理解答下面问题,有一质量m=2kg的物体,置于水平面上,在水平恒力F=8N的作用下,使物体由静止开始运动,经过x=4m后,撤去F,问物体还能运动多长距离?已知物体与水平面间动摩擦因数为μ=0.2.(g取10m/s2

正确答案

(1)物体在恒力F作用下做匀加速运动,这个过程力F做的功为:W=FL

根据牛顿第二定律得:F=ma

而由运动学公式得:ν22-ν12=2aL

即:L=

把F、L的表达式代入W=FL得:W=

也就是:W=mν22-mν12,此式即为动能定理的表达式.

(2)对全过程,由动能定理:Fx-μmg(x+L)=0

得:L=x=4m

答:(1)导出的动能定理的表达式是W=mν22-mν12

     (2)物体还能运动4m距离.

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简答题

倾角为θ的固定斜面顶端有一滑轮,细线跨过滑轮连接A、B两个质量均为m的物块.让A物块静止在斜面底端,拉A的细线与斜面平行,B物块悬挂在离地面h高处,如图所示.斜面足够长,物块与斜面间的动摩擦因数为μ,不计其它阻力.释放后B物块下落A物块沿斜面上滑.

某同学在计算A物块沿斜面上滑的时间时,解题方法如下:

运用动能定理求B物块落地时A物块的速度v.

mgh(1-sinθ-μcosθ)=,从中解出v;

运用牛顿第二定律求A的加速度a.

mg (1-sinθ-μcosθ)=ma,从中解出a;

A物块沿斜面上滑的时间t=,代入数值可求得t.

你认为该同学的解法是否有错?如有错误请指出错在哪里,并列出相应正确的求解表达式(不必演算出最后结果).

正确答案

该同学的解法有三处错误:一是运用动能定理时,研究对象是AB组成的系统,等式右边的质量应该是AB的总质量2m而不是m.

正确的表达式为   mgh(1-sinθ-μcosθ)=•2mv2

二是运用牛顿第二定律时,等式右边的质量应该是AB的总质量2m而不是m.

正确的表达式为   mg(1-sinθ-μcosθ)=2ma

三是求A物块沿斜面上滑的时间有错,A物块达速度v后还要减速上滑,该同学漏掉了这一段时间.

正确的表达应该是   减速上滑时的加速度为a′=g(sinθ+μcosθ)

减速上滑时的时间为t′=

整个上滑的时间应该为 t=+

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某杂技运动员静止在竖直杆的上端,此时杆下端的压力传感器显示杆对地面的压力大小为F1;当杂技运动员沿杆匀加速下滑时,压力传感器的示数为F2(F2<F1).已知杆的高度为h,且运动员下滑时杆始终保持竖直,求杂技运动员由杆顶端下滑至地面所需的时间.(重力加速度为g,计算中不考虑杆的重量及运动员身高的影响)

正确答案

人的重量mg=F1

人受的摩擦力F1=F2

由牛顿第二定律得

mg-Ff=ma

解得a=

由h=at2

解得t=

答:杂技运动员由杆顶端下滑至地面所需的时间为

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如图1所示,在2010上海世博会上,拉脱维亚馆的风洞飞行表演,令参观者大开眼界,最吸引眼球的就是正中心那个高为H=10m,直径D=4m的透明“垂直风洞”.风洞是人工产生和控制的气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流动.在风力作用的正对面积不变时,风力F=0.06v2(v为风速).在本次风洞飞行上升表演中,表演者的质量m=60kg,为提高表演的观赏性,控制风速v与表演者上升的高度h间的关系如图2所示.g=10m/s2.求:

(1)表演者上升达最大速度时的高度h1

(2)表演者上升的最大高度h2

(3)为防止停电停风事故,风洞备有应急电源,若在本次表演中表演者在最大高度h2时突然停电,为保证表演者的人身安全,则留给风洞自动接通应急电源滞后的最长时间tm.(设接通应急电源后风洞一直以最大风速运行)

正确答案

(1)由图2可知v2=1.2×104-500h,

即风力F=7.2×102-30h

当表演者在上升过程中的最大速度vm时有  F=mg

代入数据得h1=4m.

(2)对表演者列动能定理得WF-mgh2=0

因WF与h成线性关系,则风力做功WF=h2

代入数据化简得h2=8m  

(3)当应急电源接通后,风洞以最大风速运行时滞后时间最长,表演者减速的加速度为

     a==2m/s2  

表演者从最高处到落地过程有H=g+

代入数据化简得tm=s≈0.52s.

答:

(1)表演者上升达最大速度时的高度h1=4m.

(2)表演者上升的最大高度h2=8m.

(3)留给风洞自动接通应急电源滞后的最长时间tm=0.52s.

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如图所示,用F=8.8N的水平拉力,使质量m=2.0kg的物块由静止开始沿水平面做匀加速直线运动.物块与水平面间的动摩擦因数为μ=0.4,求:

(1)物块加速度a的大小;

(2)物块开始运动后t=2.0s内通过的距离s.

正确答案

(1)根据牛顿第二定律 F1-F2=ma且F2=μmg

解得物体的加速度

a==m/s2=0.4m/s2

(2)物体开始运动后t=2.0s内通过的距离

s=at2=×0.4×2.02m=0.8m

答:(1)物块加速度a的大小为0.4m/s2

(2)物块开始运动后t=2.0s内通过的距离s为0.8m.

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如图甲所示,一个足够长的“L”形金属导轨NMPQ固定在水平面内,MN、PQ两导轨间的宽度为L=0.50m.一根质量为m=0.50kg的均匀金属导体棒ab横跨在导轨上且接触良好.abMP恰好围成一个正方形.该轨道平面处在磁感强度大小可以调节的竖直向上的匀强磁场中.ab棒与导轨间的最大静摩擦力和滑动摩擦力均为fm=1.0N,ab棒的电阻为R=O.10Ω.其他各部分电阻均不计.开始时磁感强度B0=0.50T.

(1)若从某时刻(t=O)开始,调节磁感强度的大小使其以△B/△t=0.20T/s的变化率均匀增加.求经过多长时间ab棒开始滑动?此时通过ab棒的电流大小和方向如何?

(2)若保持磁感强度B0的大小不变.从t=0时刻开始,给ab棒施加一个水平向右的拉力,使它以a=4.0m/s2的加速度匀加速运动.推导出此拉力T的大小随时间变化的函数表达式.并在图乙所示的坐标图上作出拉力T随时间t变化的T-t图线.

正确答案

(1)当棒ab所受的安培力等于最大静摩擦力时,棒刚开始运动,则有

  fm=F=ILB         ①

 B=B0+t         ②

 根据法拉第电磁感应定律得:E==L2 ②

   I= ④

联立①~④解得  t=17.8s,

此时通过ab棒的电流大小为I=0.5A,由楞次定律判断可知,I的方向b→a.

(2)根据牛顿第二定律得:T-FA-f=ma                

其中安培力FA=B0IL,I=,v=at

得FA=

∴T=+ma+f            

代入解得 T=(3+2.5t)N                 

作出T-t图象如图所示.

答:

(1)经过17.8s时间ab棒开始滑动,此时通过ab棒的电流大小为0.5A,方向b→a.

(2)拉力T的大小随时间变化的函数表达式为T=(3+2.5t)N,作出T-t图象如图所示.

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一位同学通过电视节目观看火箭发射卫星的情景,他听到现场总指挥倒计时结束发出“点火”命令后,立刻用秒表计时,假设测得火箭底部从开始发射到经过发射架顶的时间是t,如果他想计算出火箭的推力有多大,请讨论以下两个问题:

(1)需要假设哪些条件进行理想化处理.

(2)需要知道哪些数据用相应符号表示出来,并推导出火箭推力的表达式.

正确答案

(1)本题要运用牛顿第二定律及运动学基本公式求解,所以要假设火箭及卫星总质量不变

假设运动是匀加速运动

(2)火箭及卫星总质量M,发射架高度h,

由牛顿第二定律:F-Mg=Ma

h=at2

解得F=Mg+m

答:(1)假设火箭及卫星总质量不变;假设运动是匀加速运动;

(2)火箭推力的表达式为F=Mg+m

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质量m=1000kg的汽车通过圆形拱形桥时的速率恒定,拱形桥的半径R=5m.试求:

(1)汽车在最高点对拱形桥的压力为车重的一半时汽车的速度;

(2)汽车在最高点对拱形桥的压力为零时汽车的速度.(重力加速度g取10m/s2

正确答案

(1)汽车在最高点由牛顿第二定律可得:mg-FN=m

可得此时速度为:v1=5m/s

(2)此时压力为零由牛顿第二定律可得:mg=m

可得此时速度为:v2=m/s≈7.1m/s

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质量为m的带电小球用绝缘线悬挂于O点,并处于水平向右的大小为E的匀强电场中(设电场足够大),小球静止时,丝线与铅垂线夹角为θ,如图所示,求:

(1)小球带何种电荷?

(2)小球电荷量为多少?

(3)若将丝线烧断,小球的加速度为多大?

正确答案

(1)因小球向右偏,所受电场力向右,与电场强度方向相同,故带正电荷;

(2)小球受力情况,如图所示.

根据平衡条件得:

qE=mgtanθ

得:q=

(3)如果将细线烧断,球沿合力方向做匀加速直线运动;

烧断细线后小球所受合外力为:F=

根据牛顿第二定律得加速度为:a=

答:(1)小球带正电荷;

(2)小球电荷量为

(3)若将丝线烧断,小球的加速度为

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如图所示,在y=0和y=2m之间有沿着x轴方向的匀强电场,MN为电场区域的上边界,在x轴方向范围足够大.电场强度的变化如图所示,取x轴正方向为电场正方向.现有一个带负电的粒子,粒子的=1.0×10-2 C/kg,在t=0时刻以速度v0=5×102m/s从O点沿y轴正方向进入电场区域,不计粒子重力作用.求:

(1)粒子通过电场区域的时间;

(2)粒子离开电场的位置坐标;

(3)粒子通过电场区域后沿x方向的速度大小.

正确答案

(1)因粒子初速度方向垂直匀强电场,

在电场中做类平抛运动,

所以粒子通过电场区域的时间

t==4×10-3s

(2)粒子在x方向先加速后减速,加速时的加速度

a1==4m/s2

减速时的加速度

a2==2m/s2                            

x方向上的

s=a1(

T

2

)2 +a1(

T

2

)2-a2 (

T

2

)2=2×10-5m

因此坐标

(-2×10-5m,2m)                                  

(3)粒子在x方向的速度

vx=a1-a2=4×10-3m/s

答:(1)粒子通过电场区域的时间为4×10-3s;

(2)粒子离开电场的位置坐标为(-2×10-5m,2m);

(3)粒子通过电场区域后沿x方向的速度大小为4×10-3m/s.

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