- 牛顿运动定律
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一质量m=0.5kg的滑块以一定的初速度冲上一倾角为37°足够长的斜面,某同学利用DIS实验系统测出了滑块冲上斜面过程中多个时刻的瞬时速度,如图所示为通过计算机绘制出的滑块上滑过程的v-t图.求:(g取10m/s2)
(1)滑块冲上斜面过程中的加速度大小;
(2)滑块与斜面间的动摩擦因数;
(3)判断滑块最后能否返回斜面底端?若能返回,求出返回斜面底端时的动能;若不能返回,求出滑块停在什么位置.
正确答案
(1)由图示v-t图象可知,滑块的加速度:
a==
=12m/s2;
(2)物体在冲上斜面过程中,由牛顿第二定律得:
mgsin37°+μmgcos37°=ma,解得:μ=0.75;
(3)由于μ=tan37°=0.75,则μmgcos37°=mgsin37°,
滑块速度减小到零后,所受合力为零,滑块将静止在斜面上不变返回;
滑块上滑过程,位移s=t=
×0.5=1.5m,
则滑块将停在距斜面低端1.5m处.
答:(1)滑块冲上斜面过程中的加速度大小为12m/s2;
(2)滑块与斜面间的动摩擦因数为0.75;
(3)滑块不能返回斜面底端,滑块停在距斜面底端1.5m处.
将质量m=0.1kg的圆环套在固定的水平直杆上.环的直径略大于杆的截面直径.环与杆间动摩擦因数μ=0.8.对环施加一位于竖直平面内斜向上,与杆夹角θ=53°的拉力F,使圆环以a=4.4m/s2的加速度沿杆运动,求F的大小.
正确答案
对环受力分析,受重力、拉力、弹力和摩擦力;令Fsin53°=mg,F=1.25N 此时无摩擦力.
当F<1.25N 时,杆对环的弹力向上,由牛顿定律有:
Fcosθ-μFN=ma,FN+Fsinθ=mg,
解得:F=1N
当F>1.25N时,杆对环的弹力向下,由牛顿定律有:
Fcosθ-μFN=ma,Fsinθ=mg+FN,
解得:F=9N
答:F的大小为1N或者9N.
(9分)如图所示,在倾角为θ的光滑斜面上,有一长为l的细线,细线的一端固定在O点并可绕O点转动,另一端拴一质量为m的小球,现使小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动,求:
(1)小球通过最高点A时的速度vA
(2)小球通过最低点B时的速度vB
(3)小球通过最低点B时,细线对小球的拉力T
正确答案
(1)(2)
(3)
试题分析:(1)小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动,则小球通过A点时的拉力为零,根据圆周运动和牛顿第二定律有:,解得
(2)小球从A点运动到B点,根据机械能守恒定律有:
解得
(3)小球在B点时根据圆周运动和牛顿第二定律有:,
解得
如图,细绳一端系着质量M=0.6kg的物体,静止在水平面,另一端通过光滑小孔吊着质量m=0.3kg的物体,M的中点与圆孔距离为0.2m,并知M和水平面的最大静摩擦力因数为μ=,现使此平面绕中心轴线转动,问角速度w在什么范围m会处于静止状态?(g取10m/s2)
正确答案
2.9 rad/s≤w ≤ 6.5 rad/s。
试题分析:设物体M和水平面保持相对静止。
当w具有最小值时,M有向圆心运动趋势,故水平面对M的摩擦力方向和指向圆心方向相反,且等于最大静摩擦力
隔离M有:T-μMg =Mw12r
w1 =2.9(rad/s)
当w具有最大值时,M有离开圆心趋势,水平面对M摩擦力方向指向圆心.
隔离M有:T+μMg =Mw22r
w2=6.5(rad/s)
故w范围是:2.9 rad/s≤w ≤ 6.5 rad/s。
如图所示,A、B两物体用细绳相连跨过光滑的定滑轮,A放在粗糙的水平桌面上,B物体悬空。现用水平拉力F拉着A物体,使得B物体以5 m/s2的加速度匀加速竖直上升,已知A、B物体的质量分别为1kg和2kg, A与桌面的动摩擦因数为0.2, g=10 m/s2;试求:水平拉力F的大小是多少?
正确答案
F=37N
试题分析:对A:
对B:
解得:F=37N
点评:做此类型的题目关键是对AB分别分析,根据牛顿第二定律解题
物体A的质量M=1kg,静止在光滑水平面上的平板车B的质量为m=0.5kg、长L=1m。某时刻A以v0=4m/s向右的初速度滑上木板B的上表面,在A滑上B的同时,给B施加一个水平向右的拉力。忽略物体A的大小,已知A与B之间的动摩擦因数µ=0.2,取重力加速度g=10m/s2.试求:
(1)若F=5N,物体A在小车上运动时相对小车滑行的最大距离;
(2)如果要使A不至于从B上滑落,拉力F大小应满足的条件。
正确答案
(1)△s= SA- SB=0.5m(2)力F应满足的条件是:
(1)物体A滑上木板B以后,作匀减速运动,有µmg =maA 得aA=µg="2" m/s2
木板B作加速运动,有F+µmg=MaB,得:aB="14" m/s2
两者速度相同时,有V0-aAt=aBt,得:t=0.25s
A滑行距离:SA=V0t-aAt2/2=15/16m
B滑行距离:SB=aBt2/2=7/16m
最大距离:△s= SA- SB=0.5m
(2)物体A不滑落的临界条件是A到达B的右端时,A、B具有共同的速度v1,则:
………③
又:……………④
由、③、④式,可得:
再代入②式得:
若F<1N,则A滑到B的右端时,速度仍大于B的速度,于是将从B上滑落,所以F必须大于等于1N。
当F较大时,在A到达B的右端之前,就与B具有相同的速度,之后,A必须相对B静止,才不会从B的左端滑落。即有:
所以:
若F大于3N,A就会相对B向左滑下。
综上:力F应满足的条件是:
本题考查的是牛顿第二定律的应用问题,首先根据牛顿第二定律解出A滑上B时各自的加速度,进而解出最大距离;再根据物体A不滑落的临界条件是A到达B的右端时A、B具有共同的速度,解出B的加速度,从而求出拉力F的范围;
一端固定在光滑面O点的细线,A、B、C各处依次系着质量相同的小球A、B、C,如图所示,现将它们排列成一直线,并使细线拉直,让它们在桌面上绕O点作圆周运动,如果增大转速,细线将在OA、AB、BC三段线中______段先断掉.
正确答案
设A、B、C三个球的角速度为ω,质量都为m.根据牛顿第二定律得
对C:FBC=mω2rc
对B:FAB-FBC=mω2rB
对A:FOA-FAB=mω2rA由以上式可知,FOA>FAB>FBC,所以在OA、AB、BC三段线中OA段先断掉.
故答案为:OA
(18分)、如图所示,绝缘水平面上相k=1.6m的空间内存在水平向左的匀强电场
,质量
=0.1kg、带电量
=+1×
的滑块 (视为质点) 以
=4m/s的初速度沿水平面向右进入电场区域,滑块与水平面间的动摩擦因数
=0.4,设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等。(g取10m/
)
(1) 如果滑块不能离开电场区域,电场强度的取值范围多大。
(2) 如果滑块能离开电场区域,请根据有关计算讨论后在坐标中画出电场力对滑块所做的功
与电场力
的关系图象。
正确答案
(1)(2)W=0
(1)小滑块在摩擦力和电场力的作用下,向右做匀减速直线运动,设加速度为a,依题意和牛顿第二定律,有:
①……
又: ②……
③……3分
若小滑块不会从右侧离开电场区域,由匀变速直线运动规律,有:
④……
联立①②③④并代入数据得: ⑤……3分
若小滑块不会从左侧离开电场区域,必须满足:
≤f ⑥……
②⑤⑥可得: ⑦……2分
(2)如果小滑块会离开电场区域,电场力F必须满足:
F="qE=" 1×10-7×106≤0.1N ⑧……
或 F=qE=1×10-7×4×106>0.4N ⑨……2分
若F≤0.1N,小滑块将从右侧离开电场区域,此过程小滑块在电场中的位移s=1.6m,则电场力做功 ⑩……2分
若F>0.4N,小滑块将从左侧离开电场区域,此过程小滑块在电场中的位移s=0,电场力做功为0,即W=0 ……2分
评分说明:正确作图共4分
本题结合电场力考查牛顿第二定律的应用,小滑块在摩擦力和电场力的作用下,向右做匀减速直线运动,判断出摩擦力方向,由牛顿第二定律可求得加速度大小,如果小滑块不会从右侧离开电场区域,由匀变速直线运动规律可求得加速度取值范围,同时得到电场强度的取值范围,如果小滑块不会从左侧离开电场区域,必须满足电场力小于等于最大静摩擦力,从而求得场强取值范围,同理如果小滑块会离开电场区域,电场力F必须小于等于0.1N或大于0.4N,根据这两个范围确定电场力做功的大小
如图所示,在一个水平向右运动的质量为M的车厢内,用一定滑轮通过一轻绳悬挂A、B两个物体。A的质量为,B的质量为
,且
,B的悬绳在竖直方向上,A的悬绳向左偏离竖直方向θ角。两物体与车厢相对静止,滑轮的质量不计,求车厢地板对B物体的摩擦力和支持力的大小。
正确答案
;
以A为研究对象,设小车加速度为a,绳的拉力为T
如图,传送带AB总长为l=10m,与一个半径为R=0.4m的光滑1/4圆轨道BC相切于B点。传送带速度恒为v=6m/s,方向向右。现有一个滑块以一定初速度v0从A点水平冲上传送带,滑块质量为m=10kg,滑块与传送带间的动摩擦因数为μ=0.1。已知滑块运动到B端时,刚好与传送带共速。
求
(1)v0;
(2)滑块能上升的最大高度h;
(3)求滑块第二次在传送带上滑行时,滑块和传送带系统产生的内能。
正确答案
(1)v0=4m/s或m/s (2)1.8m (3)220J
试题分析:(1)滑块运动过程中加速度为
若物体的速度小于传送带的速度,加速度为正,则,解得
若物体的速度大于传送带的速度,加速度为负,则,解得
(2)上升过程中机械能守恒,则:解得
(3)滑块第二次在传送带上滑行时,假如滑块只做减速运动,加速度为,减速运动的位移为:
,即
,所以滑块到A端时速度不为零,
,解得
,故此过程中传送带的位移为
,所以滑块和传送带的相对位移为
,故摩擦力做功为
点评:在分析第一问时,一定要注意滑块在传送带上有可能做减速运动,即传送带的速度小于滑块的速度,
)如图所示,ABC为一细圆管构成的圆轨道,将其固定在竖直平面内,轨道半径为R(比细圆管的半径大得多),OA水平,OC竖直,最低点为B,最高点为C,细圆管内壁光滑。在A点正上方某位置有一质量为m的小球(可视为质点)由静止开始下落,刚好进入细圆管内运动。已知细圆管的内径稍大于小球的直径,不计空气阻力。
(1)若小球经过C点时恰与管壁没有相互作用,求小球经过C点时的速度大小;
(2)若小球刚好能到达轨道的最高点C,求小球经过最低点B时的速度大小和轨道对小球的作用力大小;
(3)若小球从C点水平飞出后恰好能落回到A点,求小球刚开始下落时距离A点的高度。
正确答案
(1)(2)2
;5mg(3)1.25R
试题分析:(1)因为小球通过C点时与管壁无相互作用力,
所以重力充当向心力
解得vc=
(2)因为小球恰好到达最高点C,所以小球通过C点时速度为零,
对小球由B到C的过程根据动能定理,
解得vB=2
对经过B点时,根据牛顿第二定律得
解得FN=5mg
(3)小球从C点飞出后做平抛运动 则 ,
联立解得
从开始下落到经过C点,根据机械能守恒定律
解得h=1.25R
质量为150kg的摩托车,由静止开始沿倾角为10°的斜坡以1m/s2的加速度向上行驶,若所受空气和摩擦总阻力是车重的0.03倍,摩托车的额定功率为4.5kW。
求:(1)它能维持匀加速行驶的时间是多少?
(2)行驶12.5m时摩托车的功率为多少?(sin10°=0.17)
正确答案
(1)10s(2)
试题分析:(1)根据牛顿第二定律:(2分)
解得加速阶段的牵引力:(1分)
加速阶段的末速度(1分)
它能维持匀加速行驶的时间:(1分)
由可得行驶12.5m时摩托车的速度
(1分)
则此时摩托车仍在匀加速阶段其功率为(1分)
点评:本题难度较小,力决定运动,因此要先分析受力,求得加速度后转化为运动学问题再求解
一物块置于光滑的水平面上,受方向相反的水平力F1,F2作用从静止开始运动,两力随位移x变化的规律如图,则位移x= m时物块的动能最大,最大动能为 J.
正确答案
2m 10J
试题分析:对物体进行受力分析,水平方向受F1和F2的作用,F1和F2方向相反且F1逐渐减小F2逐渐增大,物体做加速度越来越小的加速运动,当加速度减为0时,速度最大,动能最大。由图知x=2m时两力相等,此过程中两力的功可由图像面积求得分别为W1=15J,W2=-5J,由动能定理知最大动能为10J。
参加电视台娱乐节目,选手要从较高的平台上以水平速度跃出后,落在水平传送带上,已知平台与传送带高度差H=1.8 m,水池宽度x0=1.2 m,传送带A、B间的距离L0=20 m,由于传送带足够粗糙,假设人落到传送带上后瞬间相对传送带静止,经过一个Δt=1.0 s反应时间后,立刻以a=2 m/s2恒定向右加速度跑至传送带最右端.
(1)若传送带静止,选手以v0=3 m/s水平速度从平台跃出,求从开始跃出到跑至传送带右端经历的时间.
(2)若传送带以u=1 m/s的恒定速度向左运动,选手要能到达传送带右端,他从高台上跃出的水平速度v1至少多大?在此情况下到达B点时速度大小是多少?
正确答案
(1)6.0 s (2)4.08 m/s
试题分析:(1)设选手落在传送带前的运动时间为,水平运动距离为
;选手在传送带上的运动时间为
,运动距离为
,由运动学公式可得
,
=0.6 s.
,
.
.
(2)设水平跃出速度v1,落到传送带1 s反应时间内向左位移大小为,则
=uΔt=1 m.
然后设向左减速至速度为零又向左发生位移为,则
=0.25 m.
不从传送带上掉下,平抛水平位移,
则,最小速度为4.08 m/s.
设在此情况下到达B点时速度大小为v,则,
.
点评:解决本题的关键分析出选手的运动情况,然后根据平抛运动和运动学公式求解.
(18分)如图所示,在倾角为的光滑斜面上端系着一劲度系数为k的轻弹簧,弹簧的下端连有一质量为m的小球,球被一垂直于斜面的挡板A挡住,此时弹簧没有形变.若手持挡板A以加速度a(a < gsin
)沿斜面向下做匀加速运动,求:
(1)从挡板开始运动到球与挡板分离所经历的时间;
(2)从挡板开始运动到小球的速度达到最大,球所经过的路程.
正确答案
(1) (2)
(1) 当球与刚挡板分离时,球与板有相同的加速度,但它们之间无相互作用。设此时小球的位移为x:
小球受力如图: ……(4分)
…… (2分)
…… (2分)
解得: …… (1分)
(2) 挡板与球分开后,球先加速,后减速
当时,有最大速度 (4分)
此时,弹簧伸长量为x`,,即
(4分)
球经过的路程 (1分)
本题考查牛顿第二定律的应用,当球与刚挡板分离时,球与板有相同的加速度,但它们之间无相互作用,根据此条件分析小球的受力情况,根据牛顿第二定律列公式求得加速度大小,再由位移与时间的关系求得运动时间,挡板与球分开后,球先加速,后减速,当重力沿斜面向下的分力等于摩擦力时小球的速度最大,由受力分析可求得此时弹簧的型变量,即为路程大小
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