- 牛顿运动定律
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如图甲所示,质量M =" 1" kg的薄木板静止在水平面上,质量m =" 1" kg的铁块静止在木板的右端,可视为质点。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,已知木板与水平面间的动摩擦因数μ1 = 0.05,铁块与木板之间的动摩擦因数μ2 = 0.2,取g =" 10" m/s2。现给铁块施加一个水平向左的力F。
(1)若力F恒为 4 N,经过时间1 s,铁块运动到木板的左端,求木板的长度;
(2)若力F从零开始逐渐增加,且铁块始终在木板上没有掉下来。试通过分析与计算,在图乙中作出铁块受到的摩擦力f随力F大小变化的图象。
正确答案
(1)L= 0.5m(2)见解析
(1)对铁块,由牛顿第二定律:
(1分)
对木板,由牛顿第二定律:
(1分)
设木板的长度为L,经时间t铁块运动到木板的左端,则
(1分)
(1分)
又: (1分)
解得: L= 0.5m(1分)
(2)①当时,系统没有被拉动,静摩擦力与外力成正比,即:f = F(2分)
②当时,若M、m相对静止,铁块与木板有相同的加速度a,则:
解得:
此时: ,也即
所以: 当时,
(2分)
③当时,M、m相对滑动,此时铁块受到的摩擦力为:
(2分)
f—F图象如答图2所示。(4分)
本题考查牛顿第二定律的应用,分别以木板和木块为研究对象进行受力分析,合外力提供加速度,由此求得加速度大小,当木块运动到木板左端时两者位移差值为木板的长度,由1s内运动到左端可以求得位移差值,及木板的长度L,当拉力较小时整个系统静止在水平地面,由整体所受最大静摩擦力可求得该临界值,当拉力大于该临界值时整体向左做匀加速直线运动,铁块所受静摩擦力提供加速度,所以铁块所受静摩擦力f=ma逐渐增大,当静摩擦力增大到最大静摩擦力时两物体发生相对滑动
某物体以一定的初速率沿斜面向上运动,设物体沿斜面运动的最大位移为,由实验测得
与斜面倾角
的关系如图所示,试求:
(1)物体沿斜面上升的初速;
(2)物体与斜面间的动摩擦因数;
(3)物体沿斜面运动的位移最小时斜面的倾角.
正确答案
(1)14.14m/s (2)0.577 (3)600
;
(2)当时物体在水平面上滑行,a=μg,则
解得μ=
=0.577;
(3),其中tg
=μ,即
=
,则当
最小.
建筑工地上常用升降机将建材从地面提升到需要的高度.某次提升建材时,研究人员在升降机底板安装了压力传感器,可以显示建材对升降机底板压力的大小.已知建材放上升降机后,升降机先静止了t0=1s,然后启动,7s末刚好停止运动,在这7s内压力传感器的示数如图所示.当地重力加速度g取10m/s2.求
(1)整个过程中升降机的最大速度及整个过程中建材上升的高度h.;
(2)在5s~7s内压力传感器的示数F.
正确答案
(1)当建材静止时F0=mg,建材质量为:m==
kg=500kg
在1s~5s内加速度为由牛顿第二定律得:F1-mg=ma1
a1==1m/s2
最大速度为:v=a1t1=4m/s
在1-5s内和5-7s内的平均速度相等,所以上升的最大高度为:
h=t1+
t2=12m
(2)在5s~7s内,加速度为:a2==2m/s
由牛顿第二定律,有:mg-F=ma2
解得压力传感器的示数:F=4000N
答:(1)整个过程中升降机的最大速度及整个过程中建材上升的高度h为12m
(2)在5s~7s内压力传感器的示数F为4000N
在研究摩擦力特点的实验中,将木块放在足够长的静止水平木板上.如图11甲所示,用力沿水平方向拉木块,使拉力F从0开始逐渐增大.经实验绘制出摩擦力Ff随拉力F的变化图象如图丙所示.已知木块质量为0.78 kg.
小题1:求木块与长木板间的动摩擦因数.
小题2:若木块在与水平方向成θ=37°角斜向右上方的恒定拉力F′作用下,以a=2.0 m/s2的加速度从静止开始做匀加速直线运动,如图乙所示.则F′为多大?
(取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)
正确答案
小题1:0.4.
小题2:4.5 N
(1)由图丙可知,木块所受的滑动摩擦力
Ff=3.12 N
由Ff=μFN
得μ====0.4.
一物体在空气中由静止下落,若物体下落时受到的空气阻力与它的速度平方成正比,即f=kv2.已知当物体的速度达到40m/s后就匀速下落,此时空气阻力______重力(填“大于”、“等于”或“小于”);当它的速度为10m/s时,则物体下落的加速度为______.
正确答案
当物体匀速下落时,重力与空气阻力平衡,大小相等,
即有 mg=kv12 ①
当物体的速度为10m/s时,空气阻力大小为kv22.由牛顿第二定律得
mg-kv22=ma ②
将①代入②得
mg-•
=ma
得到 a=g(1-)=9.375m/s2故答案为:等于;9.375m/s2
(18分)如图所示,传送带以v=10m/s的速度逆时针运动,与水平面夹角θ=370,传送带A 端到B 端距离L=29m。在传送带顶部A 端静止释放一小物体,物体与传送带间动摩擦因数 μ="0.5" ,g=10m/s2。试求物体从A 运动到底部B的时间。
正确答案
3s
试题分析:物体释放后,在斜面上运动加速度:
物体达到与皮带速度相等所花时间:
此过程中物体位移:
此后物体加速度:
此后到达B点所花时间满足
联立以上各式解之:
如图所示,一半径R=0.2m的水平圆盘绕过圆心的竖直轴转动,圆盘边缘有一质量m =1.0kg的小滑块。当圆盘转动的角速度逐渐增大到某一数值时,滑块刚好从圆盘边缘处滑落,进入轨道ABC。已知AB段为光滑的圆弧形轨道,轨道半径r =2.5m,B点是圆弧形轨道与水平地面的相切点,A点与B点的高度差h ="1.2m" ;倾斜轨道BC与圆轨道AB对接且倾角为37°,滑块与圆盘及BC轨道间的动摩擦因数均为μ =0.5,滑块在运动过程中始终未脱离轨道,不计滑块在A点和B点处的机械能损失,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。
(1)求滑块刚好从圆盘上滑落时,圆盘的角速度;
(2)求滑块到达弧形轨道的B点时对轨道的压力大小;
(3)滑块从到达B点时起,经0.6s正好通过C点,求BC之间的距离。
正确答案
(1)5rad/s(2)20N(3)1.24m
试题分析:(1)滑块在圆盘上做圆周运动时,静摩擦力充当向心力,由牛顿第二定律,可得:μmg=mω2R (1分 )
代入数据解得:ω==5rad/s (1分)
(2)滑块在A点时的速度:vA=ωR=1m/s (1分)
滑块在从A到B的运动过程中机械能守恒: mgh+ mvA2/2= mvB2/2 (1分)
解得: vB=5m/s (1分)
在B点,由牛顿第二定律,可得: (1分)
解得: 滑块对轨道的压力大小为20N。 (1分 )
(3)滑块沿BC段向上运动时的加速度大小:a1=g(sin37°+μcos37°)=10m/s2 (1分)
滑块沿BC段向上运动的时间:t1= vB/ a1="0.5s" <0.6s 故滑块会返回一段时间 (1分)
向上运动的位移: S1=vB2/2a1=1.25m (1分)
返回时的加速度大小:a2=g(sin37°-μcos37°)=2m/s2 (1分)
S2="1/2" a2(t-t1)2=0.01m (1分)
BC间的距离:sBC= S1- S2 =1.24m (1分)
点评:本题关键把物体的各个运动过程的受力情况和运动情况分析清楚,然后运用牛顿第二定律和运动学公式求解.
(16分) 如图所示,长度L="1" m、质量M="0.25" kg的木板放在光滑水平面上,质量m="2" kg的小物块(可视为质点)位于木板的左端,木板和物块间的动摩擦因数μ=0.1.现突然给木板一向左的初速度v0="2" m/s,同时对小物块施加一水平向右的恒定拉力F="10" N,经过一段时间后,物块与木板相对静止,此时撤去拉力F,取g="10" m/s2,
求:(1)物块最终停止在木板上的位置.
(2)上述过程中拉力F做的功.
正确答案
(1)0.5m (2)5J
试题分析:木块与木板间滑动摩擦力
据牛顿第二定律知,木块的加速度为------2分
木板的加速度为 ------2分
当木块、木板具有共同速度时,两者不再发生相对滑动,一直匀速运动下去.
所以 解得t="0.5" s ------3分
两者速度大小为
可见木板此时恰好回到原位置,位移为零 ------3分
此过程木块的位移为
所以木块最终停在木板的中点上. ----2分
(2)拉力F做的功为W=Fx=5J ------4分
点评:难题。解决本题时要注意运动过程的分析,整个运动过程分物体、分阶段分析,问题就比较清晰,然后再逐段求解。
如图,质量为m的A物放在质量为M倾角为θ光滑的斜面B上,斜面B置于光滑的水平地面上,若水平向左推B物,且使A、B相对静止,则推力大小为______;若水平向右推A物,且使A、B相对静止,则推力大小为______.
正确答案
若水平向左推B物,且使A、B相对静止,对A分析,
根据牛顿第二定律得,
A的加速度a==gtanθ.
因为整体具有相同的加速度,
则推力F1=(M+m)a=(M+m)gtanθ.
当水平向右推A物,且使A、B相对静止,
对A,根据牛顿第二定律得,
F-Nsinθ=ma,
Ncosθ=mg
则F-mgtanθ=ma
对整体分析F=(M+m)a,
联立两式解得F=.
故答案为:(M+m)gtanθ,
在平直铁轨上以60m/s速度行驶的动车组车箱内,乘客突然发现,悬挂在箱顶上的物体悬线向车前进方向偏离竖直方向θ=14°角,如下图所示,从此刻起动车组保持该情形不变,求:(tan14°=0.25,g=10m/s2)
(1)动车组是匀加速直线运动还是匀减速直线运动;
(2)动车组的加速度大小;
(3)动车组若作匀减速直线运动,30s内运动的距离。
正确答案
(1)匀减速直线运动(2)2.5m/s2(3)720m
本题考查牛顿第二定律和整体隔离法,由于小球与小车相对静止,整体的加速度等于各部分加速度
(1)匀减速直线运动………………2分
(2)a=gtan14°=2.5m/s2…………………3分
(3) m…………………………3分
在水平地面上有质量为4kg的物体,在水平拉力F作用下由静止开始运动,经过10s时间拉力减小为F,再经过20s时间物体刚好静止.该物体的v-t图象如图所示,则由图可知水平拉力F=______,物体与地面间的动摩擦因数为______.
正确答案
由v-t图象可知:物体在前10s内的加速度为:a1=1m/s2,
物体在10-30s内的加速度为:a2=m/s2=-0.5m/s2
对物块进行受力分析,由牛顿第二定律可知:
F-μmg=ma1…①
-μmg=ma2…②
代入m和a1、a2可解得:
F=9N,μ=0.125
故答案为:9N,0.125.
(10分)一质量m="1000" kg的汽车在水平路面上从静止开始匀加速启动,t="5" s时行驶的距离x="25" m,求
(1)(5分)汽车在前5 s的加速度大小a
(2)(5分)假设汽车发动机提供的牵引力F="2200" N,求汽车在前5 s受到的阻力大小f(假设前5 s阻力大小不变)。
正确答案
(1)2m/s2 (2)200 N
试题分析:解:(1)(5分)汽车做初速度为零的匀加速直线运动,已知t="5" s,x="25" m,
则汽车的加速度:
(2)(5分)对汽车进行受力分析,如图所示,
根据牛顿第二定律得:F合=F-f=ma
f=F-ma=2200-1000×2 N="200" N
点评:学生要画受力示意图并能结合牛顿第二定律解题,计算时细心要统一单位。
如图所示,在地面上方足够高的地方,存在一个高度d=0.3m的“匀强电场区域”(下图中划有虚线的部分),电场方向竖直向上,电场强度E="2mg/q" 。一个电荷量为q的带正电的小圆环A套在一根均匀直杆B上,A和B的质量均为m。开始时A处于B的最下端,B竖直放置,A距“匀强电场区域”的高度h=0.2m。让A和B一起从静止开始下落,它们之间的滑动摩擦力f=0.5mg。不计空气阻力,取重力加速度g=10m/s2。求:
(1)圆环A通过“匀强电场区域”所用的时间?
(2)假如直杆B着地前A和B的速度相同,求这一速度?
(设杆 B在下落过程中始终保持竖直且足够长)
正确答案
(1)设A和B一起静止下落至“匀强电场区域”的速度为v1,根据重要推论有:
代入数据解得: v1="2.0m/s " (2分)
过程1:A在“匀强电场区域”运动时,取方向向下为正方向,A受到竖直向下的重力mg、滑动磨
擦力f和竖上向上的电场力F作用。
设加速度aA1、末速度为vA、运动时间为t1,根据牛顿第二定律有:
aA1= (1分)
根据运动学公式有:vA=v0+aA1t1 d= (1分)
代入数据解出:t1="0.2s, " (1分)
(2)vA= v0+aA1t1="1m/s " (1分)
B受到竖直向下的重力mg和竖直向上的滑动摩擦力f的作用
同理有:aB1= vB=v0+aB1t1 代入数据:vB="3m/s " (1分)
过程2:A离开“匀强电场区域”后,因为vA
同理有:aA2= aB2=
(1分)
v=vA+aA2t2 v=vB+aB2t2
由上述四式代入数据解得:v="4m/s " (2分)
略
一小圆盘静止在一方形水平桌面的中央,桌布的一边与桌的AB边重合,如图所示.已知盘与桌布间的动摩擦因数为μ1,圆盘与桌面间的动摩擦因数为μ2,现突然以恒定加速度a将桌布抽离桌面,加速度的方向是水平的且垂直于AB边.若圆盘最后未从桌面掉下,则加速度a满足的条件是什么?(以g表示重力加速度)
正确答案
(1)设圆盘的质量为m,圆盘在桌布上做加速运动的加速度为a1,则有:
f1=μ1mg=ma1
以地面为参考系,设桌布从盘下抽出所经历的时间为t1,在这段时间内桌布移动的位移为x,圆盘移动的位移为s1,
有:x=at12,s1=
a1t12,
由题意分析可知,当桌布比圆盘多运动了的位移时,盘布分离,即:
x-s1=
联立以上各式,可以解得:t1=
桌布抽出后,圆盘在桌面上做匀减速运动,以a2表示圆盘的加速度的大小,有:
f2=μ2mg=ma2
设圆盘刚离开桌布时的速度大小为v,离开桌布后在桌面上再运动距离s2时停止,有:
v2=2a1s1,v2=2a2s2
=
=
,
所以有:s2=s2=s1
盘没有从桌面上掉下的条件是:s1+s2≤
由以上各式解得:a≥•μ1g
答:为使圆盘不从桌面掉下,则加速度a满足的条件是a≥•μ1g.
合外力使一个质量是0.5kg的物体A以4m/s2的加速度前进,若这个合外力使物体B产生2.5m/s2的加速度,那么物体B的质量是______kg.
正确答案
根据牛顿第二定律,对A有:F合=ma=2N
对B有:mB==
kg=0.8kg.
故答案为:0.8.
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