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简答题

如图所示,在粗糙绝缘的水平面内,存在一竖直向下的磁场区域,磁感强度B沿水平向右的方向均匀增加.若在该磁场区域内建立直角坐标系xoy,则磁感强度B的分布规律可表示为B=kx(x的单位为m,B的单位为T).有一个长为L、宽为h、质量为m、电阻为R的不变形的矩形金属线圈,在运动过程中始终位于磁场区域内.当它在该平面内运动时,将受到大小恒为 f 的阻力作用.

(1)要让线圈在水平外力F的作用下,从静止开始向右做加速度为a的匀加速直线运动,求F随时间t的变化规律.

(2)若磁场区域以速度v1水平向左匀速运动,线圈从静止开始释放,求此后线圈运动的最大速度.

(3)若零时刻磁场区域由静止开始水平向左做匀加速直线运动,同时线圈从静止开始释放,已知在经一段足够长的时间后,t时刻磁场区域的速度为vt,求t时刻线圈的速度.

正确答案

(1)设线圈的右边导线所在位置的磁感应强度为B1、左边导线所在位置的磁感应强度为B2,则E=B1hv-B2hv=kLhv

线圈所受的安培力 FA=(B1-B2h

由牛顿第二定律可得:F-FA-f=ma

即得  F-(B1-B2)h-f=ma

又  v=at 

得,F随时间t的变化规律为 F=ma+f+at

(2)若FA=≤f时,线圈将始终静止不动.

    若FA=>f时,线圈将加速度向左动,最终匀速.

设线圈匀速时的速度为v′,则有    =f

解得   v′=v-

(3)线圈的加速度最终与磁场的加速度相同,即  a=.  

设t时刻线圈的速度为v″,则-f=ma

解得

v″=vt-

答:

(1)要让线圈在水平外力F的作用下,从静止开始向右做加速度为a的匀加速直线运动,F随时间t的变化规律为 F=ma+f+at.

(2)若磁场区域以速度v1水平向左匀速运动,线圈从静止开始释放,此后线圈运动的最大速度v-

(3)t时刻线圈的速度为vt-

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大雪,会使城市的街道出现严重的堵车情况,甚至发生交通事故.究其原因,主要是大雪覆盖路面后,被车轮挤压,部分融化为水.在严寒的天气下,又马上结成冰;汽车在光滑的平面上行使,刹车后难以停下,据测定,汽车橡胶轮胎与普通路面间的动摩擦因数是0.7,与冰面间的动摩擦因数为0.1,对于没有安装防抱死(ABS)设施的普通汽车,在规定的速度急刹车后,车轮立即停止运动,汽车在普通的水平路面上滑行1.4m才能停下,那么汽车以同样的速度在结了冰的水平路面上行驶,急刹车后滑行的距离为多少?(g=10m/s2

正确答案

由牛顿第二定律得:-μmg=ma      

解得a=-μg                       

因此a1=-μ1g=-7m/s2   a2=-μ2g=-1m/s2   

由运动学公式:

0-Vo2=2as 得s=

=

s2=s1=9.8m   

答:汽车以同样的速度在结了冰的水平路面上行驶,急刹车后滑行的距离为9.8m.

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如图,A、B两点所在的圆半径分别为r1和r2,这两个圆为同心圆,圆心处有一带正电为+Q的点电荷,内外圆间的电势差为U.一电子仅在电场力作用下由A运动到B,电子经过B点时速度为v.若电子质量为m,带电量为e.求:

(1)电子经过B点时的加速度大小.

(2)电子在A点时的速度大小v0

正确答案

(1)电子在B点受到的库仑力大小为

F==       

电子在该处的加速度为a==

(2)设电子在B点是的速度为vB,由动能定理得

mv2-mv02=-eU

解得v0=

答:(1)电子经过B点时的加速度大小为

(2)电子在A点时的速度大小为

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物体以14.4m/s的初速度从斜面底端冲上倾角为37°的斜坡,到最高点后再滑下,如图所示,已知物体与斜面间的动摩擦因数为0.15,求:

(1)物体沿斜面上滑的最大位移;

(2)物体沿斜面下滑的时间.(已知sin37°=0.6,cos37°=0.8)

正确答案

(1)上升时加速度大小为a1==gsinθ+μgcosθa1=7.2m/s2

下滑时加速度大小为    a2==gsinθ-μgcosθ

a2=4.8m/s2

上滑最大位移为限S=

代入已知得S=14.4 m

(2)由S=a2t2得下滑时间t==s≈2.4s

答:(1)物体沿斜面上滑的最大位移为14.4m;

(2)物体沿斜面下滑的时间为2.4s.

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用如图1所示的实验装置验证牛顿第二定律.

①完成平衡摩擦力的相关内容:

(i)取下砂桶,把木板不带滑轮的一端垫高,接通打点计时器电源,______(选填“静止释放”或“轻轻推动”)小车,让小车拖着纸带运动.

(ii)如果打出的纸带如图2所示,则应______(选填“增大”或“减小”)木板的倾角,反复调节,直到纸带上打出的点迹______,平衡摩擦力才完成.

②如图3所示是某次实验中得到的一条纸带,其中A、B、C、D、E是计数点(每打5个点取一个计数点),其中L1=3.07cm,L2=12.38cm,L3=27.87cm,L4=49.62cm.则打C点时小车的速度为______m/s,小车的加速度是______m/s2.(计算结果均保留三位有效数字)

正确答案

①平衡摩擦力时,取下砂桶,把木板不带滑轮的一端垫高,接通打点计时器电源,若小车拖着纸带做匀速直线运动,则摩擦力得到平衡.

从纸带上看出,相等时间内位移越来越大,知小车做加速运动,需减小木板的倾角,直至小车做匀速直线运动,当纸带上打出的点迹间隔均匀,说明小车做匀速直线运动.

②每打5个点取一个计数点,所以相邻的计数点间的时间间隔T=0.1s,

小车通过C点的速度vc==1.24m/s.

根据匀变速直线运动的推论公式△x=aT2可以求出加速度的大小,

得:xCD-xAB=2a1T2 

xDE-xBC=2a2T2 

为了更加准确的求解加速度,我们对三个加速度取平均值

得:a=(a1+a2

解得:a=6.22m/s2

故答案为:①(i)轻轻推动

(ii)减小,间隔均匀;

②1.24,6.22

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如图所示,长度为L=0.9m、质量为m=1kg的木板Q放在粗糙的水平面上,Q的上表面和两个半径为R=0.2m的光滑圆弧轨道底端相切,已知两圆弧最底端之间的距离为d=1.0m.质量也为m=1kg的小滑块P从左侧圆弧最高点(和圆心A、B等高)以竖直向下的初速度v0=m/s开始下滑,小滑块恰不能冲出右侧的圆弧,在此过程中小滑块P和木板Q未共速,Q到右(左)圆弧底端与右(左)壁相碰后便停止运动不反弹,重力加速度为g=10m/s2,求:

(1)P、Q之间的动摩擦因数;

(2)此过程中水平面对Q的摩擦力所做的功;

(3)P最终停止位置到右圆弧底端的距离.

正确答案

设Q与水平面间的动摩擦因数为μ1,P、Q间的动摩擦因数为μ2

(1)设P到左圆弧最底端的速度为v1,对P从开始运动到左圆弧最底端应用动能定理有:

mv12-mv02=mgR

解得v1=3m/s.

设P到右圆弧最底端的速度为v2,因为P滑上右圆弧轨道恰能滑到最高点,在此过程中,对P应用动能定理有:

0-mv22=-mgR

P在Q上滑动,对P应用动能定理有:mv22-mv12=-μ2mgd

联立解得v2=2m/s,μ2=0.25.

(2)P在Q上向右做匀减速运动,P的加速度大小为a12g,方向向左

Q向右做匀加速运动,加速度大小为a2==μ2g-2μ1g,方向向右.

设P在Q上运动的时间为t1,应用运动学公式可知,

t1==0.4s.

对Q有d-L=a2t12,水平面对Q的摩擦力做功为Wf=-μ1(2m)g(d-L)

联立解得:a2=1.25m/s2,μ1=0.0625,Wf=-0.125J.

(3)P第一次从左圆弧最底端到右圆弧最底端受到的作用力不变,根据动能定理可知,动能减小量△Ek2mgd=2.5J.

假设P能从右圆弧最底端到左圆弧最底端,到底端时的动能为mv32=mv22-△Ek<0.

说明小滑块从右圆弧最底端不能到达左圆弧最底端.

假设P、Q可达到共同速度v3,需时间t,则有:v3=v2-a1t=a2t.

解得v3=m/s,t=s.

在此过程中Q的运动位移x1==m>0.1m,说明P、Q不可能达到共同速度,Q向左运动0.1m与左壁碰撞而停止运动,P向左运动位移x2==0.8m停止运动,P最终停止位置到右圆弧底端的距离为0.8m.

答:(1)P、Q之间的动摩擦因数为0.25.

(2)此过程中水平面对Q的摩擦力所做的功为-0.125J.

(3)P最终停止位置到右圆弧底端的距离为0.8m.

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在“探究加速度与力和质量关系的实验”中,一位同学实验获得几组数据以后,采用图象分析实验数据.将相应的力F和加速度a,在F-a图中描点并拟合成一条直线,如图所示.你认为直线不过原点的可能原因是(  )

正确答案

A、钩码的质量太大会使图线末端弯曲明显,故A错误;

B、未平衡摩擦力会使图线与F轴的正半轴部分有交点,故B错误;

C、平衡摩擦力时木板的倾角太小,未完全平衡,同样会使图线与F轴的正半轴部分有交点,故C错误;

D、F不为零时,加速度仍为零,知没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足,故D正确;

故选D.

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如图所示,质量为m的物体,在合外力F作用下,以速度v1开始沿水平面运动,经位移s后速度增加到v2,请你根据牛顿第二定律和运动学公式导出合外力对物体做功与物体动能变化的关系.

我的推导过程:______

我的结论:______.

正确答案

我的推导过程:F=ma  ①

    v22-v12=2as变形得 a=

    ②代入①得  F=m整理后得:Fs=mv22-mv12

    即:W=Ek2-Ek1

我的结论:合外力对物体所做功等于物体动能的变化.

故答案为:F=ma ①v22-v12=2as②,②代入①得 F=m整理后得:Fs=mv22-mv12,即:W=Ek2-Ek1;合外力对物体所做功等于物体动能的变化.

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质量为4t的汽车,其发动机的额定功率为80kW,它在平直公路上行驶时所受阻力为其车重的0.1倍,该车从静止开始发1.5m/s2的加速度做匀加速运动,g取10m/s2,求:

(1)该汽车在路面上行驶的最大速度是多少?

(2)开始运动后4s末发动机的功率;

(3)这种匀加速运动能维持的最长时间.

正确答案

(1)当汽车的牵引力等于摩擦力时,匀速运动,汽车在路面上行驶的速度最大,v==m/s=20m/s;

(2)运动后4s末汽车的速度为v=at=1.5×4m/s=6m/s,

牵引力为:F-f=ma,

则:F=f+ma=0.1×40000+4000×1.5N=10000N.,

则发动机的功率P=Fv=10000×6W=60000W;

(3)匀加速度的最大速度为v′==m/s=8m/s

t==s=5.3s.

答:(1)汽车在路面上行驶的最大速度是20m/s.

(2)开始运动后4s末发动机的功率为60000W.

(3)这种匀加速运动能维持的最长时间为5.3s.

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如图所示,相距为0.2m的平行金属板A、B上加电压U=40V,在两板正中央沿水平方向射入一带负电荷的小球,经0.2s小球到达B板,若要小球始终沿水平方向运动而不发生偏转,A、B两板间的距离应调节为多少?(g取10m/s2

正确答案

小球在电场中做匀变速曲线运动,在竖直方向做匀加速直线运动,由位移时间关系得:

=at2

解得:a=5m/s2

由牛顿第二定律得

mg-=ma 

解得:m=40q

要使小球沿水平方向运动,

应有mg=E′q 

E′=    

所以 d′==0.1m

答:A、B两板间的距离应调节为0.1m

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在“验证牛顿运动定律”的实验中,保持小车的质量不变,改变所挂钩码的数量,多次重复测量.在某次实验中根据测得的多组数据在坐标纸上画出a-F关系的点迹,如下图所示.经过分析,发现这些点迹存在一些问题,产生这些问题的主要原因可能是______

A.轨道与水平方向夹角太大

B.轨道保持了水平状态,没有平衡摩擦力

C.所挂钩码的总质量太大,造成上部点迹有向下弯曲趋势

D.所用小车的质量太大,造成上部点迹有向下弯曲趋势.

正确答案

A、B、拉力不为零时,加速度仍为零,可能没有平衡摩擦力,选项A错误、选项B正确;

C、D、造成上部点迹有向下弯曲趋势,原因是没有满足所挂钩码的总质量远远小于小车质量,选项C正确、选项D错误.

故选BC.

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为了使航天员能适应在失重环境下的工作和生活,国家航天局组织对航天员进行失重训练.故需要创造一种失重环境;航天员乘坐到民航客机上后,训练客机总重5×104kg,以200m/s速度沿30°倾角爬升到7000米高空后飞机向上拉起,沿竖直方向以200m/s 的初速度向上作匀减速直线运动,匀减速的加速度为g,当飞机到最高点后立即掉头向下,仍沿竖直方向以加速度为g加速运动,在前段时间内创造出完全失重,当飞机离地2000米高时为了安全必须拉起,后又可一次次重复为航天员失重训练.若飞机飞行时所受的空气阻力f=Kv(k=900N•s/m),每次飞机速度达到350m/s 后必须终止失重训练(否则飞机可能失速).

求:(1)飞机一次上下运动为航天员创造的完全失重的时间.

(2)飞机下降离地4500米时飞机发动机的推力(整个运动空间重力加速度不变).

正确答案

(1)上升时间t上==20s    上升高度h上==2000m

判断当速度达到350m/s时,下落高度h下==6125m,

此时离地高度为h+h-h=7000+2000-6125=2875>2000m,t下==35s,

所以一次上下创造的完全失重的时间为55s.

(2)当飞机在离地4500m>2875m,所以飞机仍在完全失重状态,飞机自由下落的高度h2=2000+7000-4500m,此时,v2==300m/s

推力F=f=kv2=900×300=2.7×105N

即飞机下降离地4500米时飞机发动机的推力为2.7×105N.

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某运动员做跳伞训练,他从悬停在空中的直升飞机上由静止跳下,跳离飞机一段时间后打开降落伞做减速下落,他打开降落伞后的速度图线如图a.降落伞用8根对称的绳悬挂运动员,每根绳与中轴线的夹角均为37°,如图b.已知人的质量为50kg,降落伞质量也为50kg,不计人所受的阻力,打开伞后伞所受阻力f,与速度v成正比,即f=kv(g取10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6).求:

(1)打开降落伞前人下落的距离为多大?

(2)求阻力系数k和打开伞瞬间的加速度a的大小和方向?

(3)悬绳能够承受的拉力至少为多少?

正确答案

(1)打开降落伞前人做自由落体运动,根据位移速度公式得:

h0==20m

(2)由a图可知,当速度等于5m/s时,物体做匀速运动,受力平衡,

则kv=2mg

k===200N•m/s

根据牛顿第二定律得:

a==30m/s2

方向竖直向上

(3)设每根绳的拉力为T,以运动员为研究对象,根据牛顿第二定律得:

8Tcosα-mg=ma

解得:T==312.5N

所以悬绳能够承受的拉力至少为312.5N

答:(1)打开降落伞前人下落的距离为20m;

(2)求阻力系数k为200N•m/s,打开伞瞬间的加速度a的大小为30m/s2,方向竖直向上;

(3)悬绳能够承受的拉力至少为312.5N.

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如图所示,质量M=10kg,上表面光滑的足够长的木板在水平拉力F=20N的作用下,以υ0=5m/s的初速度沿水平地面向右匀速运动,现有足够多的小铁块,它们质量均为m=1kg,将一铁块无初速地放在木板最右端,当木板运动了L=1m时,又无初速地在木板最右端放上第二个铁块,以后只要木板运动了L就在木板最右端无初速放一铁块(g=10m/s2).求:

(1)第一个铁块放上后,木板运动1m时,木板的速度多大?

(2)最终有几个铁块能留在木板上?

(3)最后一个铁块与木板右端距离多大?

正确答案

(1)由F=μMg   得μ=0.5①

第一个铁块放上后,木板做匀减速运动,由动能定理得:

μmgL=Mv02-Mv12

代入数据得v1=2m/s

(2)对木板有F=f-F=nμmg③

第一个铁块放上后μmgL=Mv02-Mv12

第二个铁块放上后2μmgL=Mv12-Mv22

第n个铁块放上后nμmgL=Mvn-12-Mvn2

由④⑤⑥式得(1+2+3+…+n)μmgL=Mv02-Mvn2

木板停下时vn=0,得n=6.6,

所以最终有7个铁块能留在木板上

(3)设当第7块铁块放上后,最后静止的位置距木板右端的距离为d由第(2)问得:

μmgL+7μmgd=Mv02

解得d=m

答:(1)第一个铁块放上后,木板运动1m时,木板的速度为2m/s.

(2)最终有7个铁块能留在木板上

(3)最后一个铁块与木板右端距离为m.

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空间中存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B,一带电量为+q、质量为m的粒子,在P点以某一初速开始运动,初速方向在图中纸面内如图中P点箭头所示.该粒子运动到图中Q点时的速度方向与P点时速度方向垂直,如图中Q点箭头所示.已知P、Q间的距离为l.若保持粒子在P点时的速度不变,而将匀强磁场换成匀强电场,电场方向与纸面平行且与粒子在P点时速度方向垂直,在此电场作用下粒子也由P点运动到Q点.不计重力.求:

(1)电场强度的大小.

(2)两种情况中粒子由P运动到Q点所经历的时间之差.

正确答案

(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动,以v0表示粒子在P点的初速度,R表示圆周半径,则有   qv0B=m…①

由于粒子在Q点的速度垂直于它在4P点时的速度,可知粒子由P点到Q点的轨迹是圆周的

故有         R=…②

联立①②得:v0=…③

在电场中粒子做类平抛运动,分别以x、y、E、a、tE表示射程、偏转位移、电场强度,加速度和运动时间,

则:

            qE=ma…④

垂直v0方向 y=R=a…⑤

沿v0方向   x=R=v0tE…⑥

联立②③④⑤⑥各式可解得:E=  

电场强度的大小为:E=

(2)由分析知粒子在磁场中由P运动到Q点所经历的时间tB周期,

故:tB=T==

在电场中由P运动到Q点所经历的时间tE==

由P运动到Q点所经历的时间之差   tB-tE=(-1)

两种情况中粒子由P运动到Q点所经历的时间之差为(-1)

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