- 牛顿运动定律
- 共29769题
质量为8×107kg的列车,从某处开始进站并关闭动力,只在恒定阻力作用下减速滑行。已知它开始滑行时的初速度为20m/s,当它滑行了300米时,速度减小到10m/s,接着又滑行了一段距离后停止,那么:
(1) 关闭动力时列车的初动能为多大?
(2) 列车受到的恒定阻力为多大?
(3)列车进站滑行的总距离和总时间各为多大?
正确答案
(1)1.6×1010J
(2) 4×107N
(3)400 m
(1)初动能Ek0=mv20 =×8×107×202=1.6×1010J
(2) 恒定阻力大小:f = m|a|=m(v20-v21)/2s=4×107N
(3)设总时间和总位移大小分别为t0和s0,则:
ft0=mv0
f s0=mv20
则:t0=mv0/f="40" s
s0=mv20/f="400" m
在光滑的水平轨道上有两个半径都是r的小球A和B,质量分别为m和2m,如图2-6所示,当两球心间的距离大于L(L比2r大的多)时,两球间不存在相互作用力;当两球心间的距离等于或小于L时,两球间存在相互作用的恒定斥力F,现A球从远离B球处以速度V0沿两球心连接向原来静止的B球运动,欲时两球不发生接触,V0必须满足的条件?
正确答案
A球向B球接近至A、B间的距离小于L之后,A球的速度逐步减小,B球从静止开始加速运动,两球间的距离逐步减小.当A、B的速度相等时,两球间的距离最小.若此距离大于2r,则两球就不会接触.所以不接触的条件是
v1=v2①L+s2-s1>2r②
其中v1、v2为当两球间距离最小时A、B两球的速度;s1、s2为两球间距离从L变至最小的过程中,A、B两球通过的路程.
由牛顿定律得A球在减速运动而B球作加速运动的过程中,A、B两球的加速度大小为
③
设v0为A球的初速度,则由匀加速运动公式得
⑤
联立解得
传送带是一种常用的运输工具,它被广泛地应用于矿山、码头、货场等生产实际中,在车站、机场等交通场所它也发挥着巨大的作用.如图所示为车站使用的水平传送带装置模型,绷紧的传送带水平部分AB的长度L=5m,并以V传=2m/s的速度向右运动.现将一个可视为质点的旅行包轻轻地无初速地放在传送带的A端,已知旅行包与皮带之间的动摩擦因数μ=0.2.求:
(1)旅行包在传送带上从A端运动到B端所用的时间;
(2)若要旅行包在传送带上从A端运动到B端所用的时间最短,则传动速度的大小应满足什么条件?(g=10m/s2)
正确答案
(1)所以旅行包从开始运动到速度与传送带速度相等:
需要的时间为:t1==
=1s,
通过的位移为:S1=at2=0.5×2×12=1m.
后一阶段旅行包运动至B端所用的时间为t2,则由L-S1=V传t2
可解得:t2=2s
所以,物体由A端到B端所用时间为:t=t1+t2=3s.
(2)要使旅行包在传送带上从A端运动到B端所用的时间最短,旅行包应该在传送带上一直受到滑动摩擦力作用而做匀加速直线运动,且到达B端时的速度VB´要小于或等于V传.
由Vt2-V02=2aS可解得:
VB´==
m/s=2
m/s.
故要使旅行包在传送带上从A端运动到B端所用的时间最短,应满足的条件是V传≥2m/s
(1)旅行包在传送带上从A端运动到B端所用的时间3s;
(2)若要旅行包在传送带上从A端运动到B端所用的时间最短,则传动速度的大小应满足V传≥2m/s.
如图所示,光滑水平面上,有一个质量m=7kg的物体,在F=14N的水平力作用下,由静止开始沿水平面做匀加速直线运动.求:(1)物体运动的加速度;
(2)物体从静止开始运动,5s内通过的距离.
正确答案
解(1)根据牛顿第二定律得:
a==
m/s2=2m/s2
(2)根据匀加速直线运动位移时间公式得:
x=v0t+at2=
×2×25m=25m
答::(1)物体运动的加速度为2m/s2;
(2)物体从静止开始运动,5s内通过的距离为25m.
在探究牛顿第二定律的实验中,得到以下数据:物体质量不变时,加速度a与物体所受合力F的对应数据如表1;物体所受合力不变时,加速度a和物体质量的倒数1/M的对应数据如表2.
表1
表2
(1)分别画出a-F图象和a-1/M图象.(画在答题纸的两个坐标图上)
(2)由a-F图象得到的结论是:______
由a-l/M图象得到的结论是:______
正确答案
(1)牛顿第二定律:F=Ma,所以:a-F图象,a-图象理论上应该是一条倾斜的直线,作图的时候要画直线,让尽量多的点落在直线上即可.
(2)由a-F图象中图线是一条过原点倾斜的直线,所以结论是:物体的加速度与物体所受的合力成正比
由a-图象中图线是一条过原点倾斜的直线,所以结论是:物体的加速度与物体的质量成反比
故答案为:(1)见上图
(2)物体的加速度与物体所受的合力成正比;物体的加速度与物体的质量成反比
假设地球与火星的质量之比M地∶M火=10∶1,半径之比R地∶R火=3∶1。在火星表面的水平地面上固定一倾角为θ=37°的斜面,有一质量m=20 kg的木箱,放在斜面上,与斜面的动摩擦因数μ=0.5,现用平行于斜面的外力推木箱,如图所示,利用速度传感器测量出木箱的瞬时速度如下表所示。已知地球表面重力加速度g ="10" m /s2,sin37°= 0.6,cos37°= 0.8。求外力F的大小。
正确答案
380 N
由
得 所以
…
∴
设物体在斜面上匀加速上滑时的加速度为a,则a=
再由表中数据可得a=10 m/s2
根据牛顿第二定律有
F-mg火sinθ-mmg火cosθ=ma
可得F=380 N
在广场游玩时,一个小孩将一充有氢气的气球用细绳系于一个小石块上,并将小石块放置于水平地面上.已知小石块的质量为m。,气球(含球内氢气)的质量为m2,气球体积为V,空气密度为ρ(V和ρ均视作不变量),风沿水平方向吹,风速为υ.已知风对气球的作用力f =Ku(式中K为一已知系数,u为气球相对空气的速度).开始时,小石块静止在地面上,如图所示.
小题1:若风速υ在逐渐增大,小孩担心气球会连同小石块一起被吹离地面,试判断是否会出现这一情况,并说明理由.
小题2:若细绳突然断开,已知气球飞上天空后,在气球所经过的空间中的风速υ保持不变量,求气球能达到的最大速度的大小.
正确答案
小题1:不会
小题2:
小题1:将气球和小石块作为一个整体:在竖直方向上,气球(包括小石块)受到重力G、浮力F
和地面支持力N的作用,
据平衡条件有 N = (m1+m2)g —ρgV ①
由于式中N、,是与风速υ无关的恒力,故气球会连同小石块不会一起被吹离地面.
小题2:气球的运动可分解成水平方向和竖直方向的两个分运动,达最大速度时
气球在水平方向做匀速运动,有
υx=υ ②
气球在竖直方向做匀速运动,有
m2g+kυy =ρgV ③
气球的最大速度
υm= ④
联立求解得
⑤
某些城市交通部门规定汽车在市区某些街道行驶速度不得超过Vm=30km/h,一辆汽车在该水平路段紧急刹车时车轮抱死,沿直线滑行一段距离后停止,交警测得车轮在地面上滑行和轨迹长sm=10m,从手册中查出该车车轮与地面间的动摩擦因数为μ=0.72,g=10m/s2.
(1)请你判断汽车是否违反规定超速行驶.
(2)目前,有一种汽车制动装置,可保证车轮在制动时不被抱死,使车轮仍有一定的滚动,安装了这种防抱死装置的汽车,在紧急刹车时可获得比车轮抱死更大的制动力,从而使刹车距离大大减小,假设汽车安装防抱死装置后刹车片产生自动阻力恒为F,驾驶员的反应时间为t,汽车的质量为m,汽车刹车前匀速行驶的速度为V,试推出驾驶员发现情况后紧急刹车时的安全距离s的表达式.
正确答案
(1)根据动能定理得,-μmgsm=0-m
Vx==12m/s=43.2km/h>30km/h
汽车违章超速
(2)在反应时间内做匀速直线运动,位移x1=Vt
根据速度位移公式知,匀减速直线运动的位移x2=
s=x1+x2=Vt+
根据牛顿第二定律得,F+μmg=ma
∴a=+μg
∴s=Vt+=Vt+
.
答:(1)汽车违章超速.
(2)驾驶员发现情况后紧急刹车时的安全距离s的表达式s=Vt+.
如图所示,质量为M、长度为L的长木板放在水平桌面上,木板右端放有一质量为m长度可忽略的小木块,木块与木板之间、木板与桌面之间的动摩擦因数均为µ.开始时小块、木板均静止,某时刻起给木板施加一水平向右的恒定拉力F,若最大静摩擦力等于滑动摩擦力.
(1)要把长木板从小木块下拉出,求拉力F应满足的条件;
(2)若拉力F=5µ(m+M)g,求从开始运动到木板从小木块下拉出经历的时间.
正确答案
(1)要把M从m下拉出,则m与M之间发生了相对滑动
故对m:f1=μmg=ma1
对M:F-μmg-μ(M+m)g=Ma2
a2>a1
联立得:F>2μ(M+m)g
(2)在此过程中,木块与木板各做匀加速运动:
木块的位移:s1=a1t2
木板的位移:s2=a2t2
又:s2-s1=L
解得:t==
答:
(1)要把长木板从小木块下拉出,求拉力F应满足的条件F>2μ(M+m)g
(2)若拉力F=5µ(m+M)g,求从开始运动到木板从小木块下拉出经历的时间t=
如图示的传送皮带,其水平部分ab的长度为2m,倾斜部分bc的长度为4m,bc与水平面的夹角为α=37°,将一小物块A(可视为质点)轻轻无初速放于a端的传送带上,物块A与传送带间的动摩擦因数为μ=0.25.传送带沿图示方向以v=2m/s的速度匀速运动,若物块A始终未脱离皮带,试求小物块A从a端被传送到c端所用时间.(g=10m/s2,sin37°=0.6)
正确答案
A先在传送带上滑行一段距离,此时A做匀加速运动(相对地面),直到A与传送带匀速运动的速度相同为止,此过程A的加速为a1,则:μmg=ma1,故a1=μg
A做匀加速运动的时间 是:t1==
=
=0.8s
这段时间内A对地的位移是:s1=v平•t1=×2×0.8=0.8m
当A相对地的速度达到2m/s时,A随传送带一起匀速运动,所用时间为t2,t2==0.6s
物块在传送带的bc之间,由于μ=0.25<tan37°=0.75,A在bc段将沿倾斜部分加速下滑,此时A受到的为滑动摩擦力,大小为μmgcos37°,方向沿传送带向上,A在传送带的倾斜部分以加速度a2向下匀加速运动,由牛顿第二定律:
mgsin37°-μmgcos37°=ma2
解得:a2=g(sin37°-μcos37°)=4m/s2
由运动学公式sbc=vt3+a2 t32 其中sbc=4m,v=2m/s
解得:t3=1s(t3'=-2s舍)
物块从a到c端所用时间为t:t=t1+t2+t3=2.4s
答:小物块A从a端被传送到c端所用时间为2.4s.
电梯的启动和减速过程均可视为匀变速运动.为了研究超重与失重现象.某同学(体重45kg)把一体重秤放在电梯的地板上,他站在体重秤上随电梯运动并观察体重秤示数的变化情况(t0时刻电梯静止).先后记录了几个时刻体重秤的示数:(g=10m/s2)
(1)请你用简短的语言描述一下电梯的运动情况.
(2)求t1时刻电梯的加速度.
正确答案
(1)电梯先作竖直向下初速度为零的匀加速运动,再作匀速运动,然后做匀减速运动,最后静止或作匀速运动.
(2)t1时刻体重计的示数小于人体的体重,故系统处于失重状态,
以人为研究对象,受力图如图:
由牛顿第二定律有:
G-N=ma
∴a==
=1.1m/s2.
加速度方向竖直向下
答:(1)电梯先作竖直向下初速度为零的匀加速运动,再作匀速运动,然后做匀减速运动,最后静止或作匀速运动.
(2)t1时刻电梯的加速度大小为1.1m/s2,加速度方向竖直向下.
两根足够长的光滑平行直导轨MN、PQ与水平面成θ角放置,两导轨间距为L,M、P两点间接有阻值为R的电阻.一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上,并与导轨垂直.整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向上,导轨和金属杆接触良好,它们的电阻不计.现让ab杆由静止开始沿导轨下滑.
(1)求ab杆下滑的最大速度vm;
(2)ab杆由静止释放至达到最大速度的过程中,电阻R产生的焦耳热为Q,求该过程中ab杆下滑的距离x及通过电阻R的电量q.
正确答案
(1)根据法拉第电磁感应定律和安培力公式有:
E=BLv ①
I= ②
FA=BIL ③
根据牛顿第二定律有:
mgsinθ-FA=ma ④
联立①②③④得:mgsinθ-=ma
当加速度a为零时,速度v达最大,速度最大值:vm=
故ab杆下滑的最大速度为vm=.
(2)根据能量守恒定律有:
mgxsinθ=mvm2+Q
得x=+
根据电磁感应定律有:
=
根据闭合电路欧姆定律有:
=
感应电量:
q=△t=
=
得:q=+
故过程中ab杆下滑的距离为x=+
,通过电阻R的电量为q=
+
.
如图所示,A滑块放在光滑的水平面上,B滑块可视为质点,A和B的质量都是1kg,A的左侧面紧靠在光滑竖直墙上,A上表面的ab段是光滑的半径为0.8m的四分之一圆弧,bc段是粗糙的水平丽,ab段与bc段相切于b点.已知bc长度为2m,滑块B从a点由静止开始下滑,取g=10m/s2.
(1)求滑块B滑到b点时对A的压力大小.
(2)若滑块B与bc段的动摩擦因数为μ,且μ值满足0.1≤μ≤0.5,试讨论因μ值的不同,滑块B在滑块A上相对A运动过程中两者因摩擦而产生的热量(计算结果可含有μ)
正确答案
(1)设滑块滑到B点的速度大小为v,到B点时轨道对滑块的支持力为N,由机械能守恒定律有
mgR=mB
①
滑块滑到B点时,由牛顿第二定律有
N-mg=m ②
联立①②式解得 N=3mg=30N
根据牛顿第三定律,滑块在B点对轨道的压力大小为N′=N=30N
(2)若滑块B滑到A的最右端时达到共速,设为v,
由动量守恒和能量守恒有
mv0=2mv
由能量守恒得:μmgl=m
-
(2m)v2
解得μ=0.2
①当满足0.1≤μ≤0.2,A和B不能共速,B将从A的右端滑落,A和B因摩擦而产生的热量为
Q1=μmgl=20μ J
②当满足0.2≤μ≤0.5,A和B共速,A和B因摩擦而产生的热量为
Q2=m
-
(2m)v2
解得Q2=4J
答:(1)滑块B滑到b点时对A的压力大小是30N.
(2)0.1≤μ≤0.2,滑块B在滑块A上相对A运动过程中两者因摩擦而产生的热量是20μ J
0.2≤μ≤0.5,滑块B在滑块A上相对A运动过程中两者因摩擦而产生的热量是4J
如右图所示的箱子中,用OA、OB两根绳子吊着一个质量为20kg的重物,若OA与竖直方向夹角θ为37°,BO垂直OA.
(1)当箱子静止时,求AO、BO绳上的拉力?
(2)当箱子向上以加速度以5m/s2竖直向上运动,求AO、BO绳上的拉力?(g=10m/s2) (sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
(1)以箱子为研究对象,根据平衡条件得
TAcosθ+TBsinθ=mg
TAsinθ=TBcosθ
联立上两式解得 TA=160N,TB=120N
(2)当箱子向上以加速度以5m/s2竖直向上运动时,由牛顿第二定律得
TA′cosθ+TB′sinθ-mg=ma
又TA′sinθ=TB′cosθ
代入解得TA′=240N,TB′=160N
答:(1)当箱子静止时,AO、BO绳上的拉力分别为160N和120N.
(2)当箱子向上以加速度以5m/s2竖直向上运动,AO、BO绳上的拉力分别为=240N和160N.
质量是1吨的汽车由静止开始沿水平路面作直线运动,汽车的牵引力为3000牛,阻力为500牛,求:
(1)汽车在4秒内通过的距离;
(2)若4秒末关闭发动机,汽车经多长时间停止运动.
正确答案
(1)根据牛顿第二定律得,a==
m/s2=2.5m/s2.
则x=at2=
×2.5×16m=20m.
(2)4s末的速度v=at=10m/s
关闭发动机后的加速度a′==0.5m/s2
则t′==20s.
答:(1)汽车在4秒内通过的距离为20m.
(2)汽车经过20s停止.
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