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简答题

中央电视台近期推出了一个游戏节目——推矿泉水瓶,选手们从起点开始用力推瓶一段时间后,放手让瓶向前滑动,若瓶最后停在桌上有效区域内,视为成功;若瓶最后不停在桌上有效区域内或在滑行过程中倒下,均视为失败,其简化模型如图所示,AC是长度为L1=5 m的水平桌面,选手们可将瓶子放在A点,从A点开始用一恒定不变的水平推力推瓶,BC为有效区域。已知BC长度为L2=1m,瓶子质量为m=0.5g,瓶子与桌面间的动摩擦因数μ=0.4,某选手作用在瓶子上的水平推力F=20N,瓶子沿AC做直线运动(g取10m/s2),假设瓶子可视为质点,那么该选手要想游戏获得成功,试问:

(1)推力作用在瓶子上的时间最长不得超过多少?

(2)推力作用在瓶子上的距离最小为多少?

正确答案

解:(1)要想游戏获得成功,瓶滑到C点速度正好为零,力作用时间最长,设最长作用时间为t1,有力作用时瓶做匀加速运动,设加速度为a1,t1时刻瓶的速度为v,力停止作用后瓶做匀减速运动,设此时加速度大小为a2,由牛顿第二定律得

F-μmg=ma1

μmg=ma2

加速运动过程中的位移 ③

减速运动过程中的位移 ④

位移关系满足x1+x2=L1

又v=a1t1

由以上各式解得

(2)要想游戏获得成功,瓶滑到B点速度正好为零,力作用距离最小,设最小距离为d,则

 ⑦

v'2=2a1d ⑧

联立解得d=0.4 m

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如图所示,在光滑的水平面上停放着小车B,车上左端有一小滑块A,A和B之间的接触面前一段光滑,后一段粗糙,且后一段的动摩擦因数μ=0.4,小车长L=2 m,A的质量mA=1 kg,B的质量mB=4 kg,现用12 N的水平力F向左拉动小车,当A到达B的最右端时,两者速度恰好相等,求A和B间光滑部分的长度。(g取10 m/s2)

正确答案

解:小车B从开始运动到物体A刚进入小车B的粗糙部分过程中,因物体A在小车B的光滑部分不受摩擦力作用,故物体A处于静止状态,设小车B此过程中的加速度为a1,运动时间为t1,通过的位移为x1,运动的速度为v1。则有

a1,v1=a1t1,x1a1t12

当物体A进入到小车B的粗糙部分后,设小车B的加速度为a2,物体A的加速度为a3,两者达到相同的速度经历的时间为t2,且共同速度v2=a3t2,则有

a2,a3=μg,v1+a2t2=a3t2,v1t2a2t22a3t22=L-x1

综合以上各式并代入数据可得A和B间光滑部分的长度x1=0.8 m

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电动车被认为是新型节能环保的交通工具。在检测某款电动车性能的某次实验中,质量为8×102 kg的电动车由静止开始沿平直公路行驶,达到的最大速度为15m/s。利用传感器测得此过程中不同时刻电动车的牵引力F与对应的速度v,并描绘出F-图象(图中AB、BO均为直线)。假设电动车行驶中所受的阻力恒定。

(1)根据图象定性描述汽车的运动过程;

(2)求电动车的额定功率;

(3)电动车由静止开始运动,经过多长时间,速度达到2m/s?

正确答案

解:(1)分析图线可知:电动车由静止开始做匀加速直线运动,达到额定功率后,做牵引力(加速度)逐渐减小的变加速直线运动,最终达到最大速度(注意:图象从右向左看速度逐渐增大)

(2)当最大速度vmax=15m/s时,牵引力为Fmin=400N,故恒定阻力f=Fmin=400N

额定功率P=Fminvmax=6kW

(3)匀加速运动的末速度

代入数据解得v=3m/s

匀加速运动的加速度

代入数据解得

电动车在速度达到3m/s之前,一直做匀加速直线运动

故所求时间为

将v′=2m/s代入上式解得t=1s

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“引体向上运动”是同学们经常做的一项健身运动。如图所示,质量为m的某同学两手正握单杠,开始时,手臂完全伸直,身体呈自然悬垂状态,此时他的下鄂距单杠面的高度为H,然后他用恒力F向上拉,下领必须超过单杠面方可视为合格。已知H=0.6m,m=60kg,重力加速度g=10m/s2。不计空气阻力,不考虑因手臂弯曲而引起人的重心位置的变化。

(1)第一次上拉时,该同学持续用力,经过t=1s时间,下鄂到达单杠面,求该恒力F的大小及此时他的速度大小;

(2)第二次上拉时,用恒力F'=720N拉至某位置时,他不再用力,而是依靠惯性继续向上运动,为保证此次引体向上合格,恒力F的作用时间至少为多少?

正确答案

解:(1)第一次上拉时,该同学向上做匀加速运动,设他上升的加速度大小为a1,下鄂到达单杠面时的速度大小为v,由牛顿第二定律及运动学公式可得:

F-mg=ma1H=1/2a1t2v=a1t

联立上式可得:F=672N,v=1.2m/s

(2)第二次上拉时,设上拉时的加速度为a2,恒力至少作用时间为tmin,上升的位移为x1,速度为v1,自由上升时位移为x2,根据题意可得:

F'-mg=ma2x1+x2=H

x1=1/2a2tmin2v12=2gx2v1=a2tmin联立以上各式得:tmin=0.71s

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质量为200kg的物体,置于升降机内的台秤上。升降机从静止开始上升,运动过程中台秤的示数F与时间t的关系如图所示,求升降机在7s钟内上升的高度。(g=10m/s2

正确答案

解:物体所受的重车G=mg=2000N

0-2s内,物体匀加速上升

加速度=5m/s2

上升的位移

2s-5s内,物体匀速上升

速度=5×2m/s=10m/s

位移m=30m ③

5s-7s内,物体匀减速上升

加速度大小=5m/s2

位移=10×2-×5×22m =10m ⑤

所以7s内的位移=50m ⑥

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如图所示,在水平地面上固定一个绝缘、粗糙的足够长的水平轨道,水平轨道处于电场强度大小为E、方向水平向左的匀强电场中。水平轨道左端固定一个与水平面垂直的挡板,一质量为m、带电量为q(q>0)的滑块从距离挡板为x0处以初速度v0水平向左运动,滑块在运动过程中受到的摩擦力大小为F(F>qE)。设滑块与挡板碰撞过程没有机械能损失,且电量保持不变,重力加速度大小为g,求:

(1)滑块在水平轨道上向左运动时的加速度大小和方向;

(2)滑块停止运动前可能通过的总路程x。

正确答案

解:(1),方向水平向右。

(2)①,

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如图所示,在倾角θ=37°的足够长的固定的斜面底端有一质量m=1.0 kg的物体,物体与斜面间动摩擦因数μ=0.25。现用轻细绳将物体由静止沿斜面向上拉动,拉力F=10.0 N,方向平行斜面向上。经时间t=4.0 s绳子突然断了,求:

(1)绳断时物体的速度大小。

(2)从绳子断了开始到物体再返回到斜面底端的运动时间。(sin37°=0.60,cos37°=0.80,g=10 m/s2

正确答案

解:(1)物体受拉力向上加速运动过程,则有

F-mgsinθ-f=ma1

FN-mgcosθ=0

且f=μFN由以上三式代数解得:a1=2.0 m/s2

所以t=4.0 s时物体的速度大小为v1=a1t=8.0 m/s

(2)绳断时物体距斜面底端的位移=16 m

绳断后物体沿斜面向上做匀减速直线运动,则有mgsinθ+μmgcosθ=ma2

解得a2=8.0 m/s2 物体做减速运动的时间t2=v1/a2=1.0 s

减速运动的位移s2=v1t2/2=4.0 m

此后物体将沿斜面匀加速下滑,则有mgsinθ-μmgcosθ=ma3

解得a3=4.0 m/s2

设物体由最高点到斜面底端的时间为t3,则有s1+s2=

解得t3==3.2s

所以物体返回到斜面底端的时间为t=t2+t3=4.2 s

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如图所示,绝缘长方体B置于水平面上,两端固定一对平行带电极板,极板间形成匀强电场E长方体B的上表面光滑,下表面与水平面的动摩擦因数μ= 0. 05(设最大静摩擦力与滑动摩擦力相同)B与极板的总质量mB=1.0kg。带正电的小滑块A质量mA=0.60 kg,其受到的电场力大小F=1.2 N。假设A所带的电量不影响极板间的电场分布t=0时刻,小滑块A从B表面上的a点以相对地面的速度vA=1.6m/s向左运动,同时,B(连同极板)以相对地面的速度vB= 0. 40m/s向右运动问(g取10m/s2

(1)A和B刚开始运动时的加速度大小分别为多少?

(2)若A最远能到达b点,a、b的距离L应为多少?从t=0时刻至A运动到b点时,摩擦力对B做的功为多少?

正确答案

解:(1)以向右运动为正方向,初始时刻。A、B受力情况如图所示,

其中F与F'互为作用力与反作用力,大小相等F=F',

B受到的摩擦力大小为ff=(mA+mB)gμ=0.8N ①

设A、B的加速度分别为aA和aB

(2)由加速度和初速度的值,可以判定B的速度首先达到零

B速度为零时所用的时间

此时B的位移

t1时刻后,B物体的受力分析如图,

由于F' >f,B将向左运动

设t1时刻后B的加速度为aB'

设t时刻A和B的速度分别为vA'、vB'

vA'=-vA+aAt ⑦

vBˊ=aB'(t-t1)(t>t1) ⑧

设t2时刻A、B速度相等,联立⑦⑧,得t2=0.70s ⑨

设从t1到t2时刻B的位移

A从初始时刻到t2时刻的位移

由题意L=SB +SB'-SA=0.62m

设摩擦力做的功为W

W= -(mA+mB)gμ(|SB|+|SB'|)

W= -0.072J

第2问解法2

(2)vBA,B物体经过速度减为零

此时B物体受到A物体对它的向左的作用力F

由于F>μ(mA+mB)g,故A物体向左运动,

由牛顿第二定律F-μ(mA+mB)g=mBaB',

得aB'=0.4m/s2,方向向右

A物体向左匀减速,B物体向左匀加速,当A、B达到共同速度时,A到达最远点b

设B物体向左运动t时间达到共同速度v,则有v=aB't=vA-aA(t十tB)

得t=0.5s,v=0.2m/s 以向左为正方向,A、B物体的v-t图像:

 

由图像可知

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如图所示,一轻绳绕过两轻质滑轮,两端分别连接着矩形导线框A1和石块A2,线框A1的ab边长l1=1 m,bc边长l2=0.6 m,电阻R=0.1 Ω,质量m=0.5 kg,石块A2的质量M=2 kg,两水平平行虚线ef、gh之间存在着垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度B=0.5 T,如果线框从静止开始运动,进入磁场最初一段时间是匀速的,ef和gh的距离s>l2(取g=10 m/s2)。问:

(1)线框进入磁场前石块A2的加速度a为多大?

(2)线框进入磁场时匀速运动的速度v为多大?

(3)线框完全进入磁场后,ab边继续运动到gh线的过程中,其运动性质如何?

正确答案

解:(1)线框进入磁场前,线框A1仅受到细线的拉力FT和重力mg,石块A2受到重力Mg和拉力FT。由牛顿第二定律

对线框:FT-mg=ma

对石块:Mg-FT=Ma

联立解得:a==6 m/s2(2)因为线框进入磁场的最初一段时间做匀速运动,所以石块受力平衡Mg=FT

线框abcd受力平衡FT′=mg+FA

ab边进入磁场切割磁感线,产生的电动势E=Bl1v

形成的感应电流I=

受到的安培力FA=BIl1

联立上述各式得:Mg=mg+

代入数据解得v=6 m/s

(3)线框完全进入磁场后到ab边运动至gh线,线框中无感应电流,受力情况同进入磁场前,所以该阶段仍做匀加速直线运动,加速度仍为a=6 m/s2

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如图甲所示,质量分别为m1=1kg和m2=2kg的A、B两物块并排放在光滑水平面上,若对A、B分别施加大小随时间变化的水平外力F1和F2,其中F1=(9-2t)N,F2=(3+2t)N,请回答下列问题:

(1)A、B两物块在未分离前的加速度是多大?

(2)经多长时间两物块开始分离?

(3)在图乙的坐标系中画出两物块的加速度a1和a2随时间变化的图像。

(4)速度的定义为v=Δx/Δt,“v-t”图像下的“面积”在数值上等于位移Δx;加速度的定义为a=Δv/Δt,则“a-t”图像下的“面积”在数值上应等于什么?

正确答案

解析:(1)对A、B整体,由牛顿第二定律: F1+F2=(m1+m2)a①

故a== 4m/s2

(2)当A、B间的弹力为0时,A、B分离,分离时: =

可求出t=2.5s⑤

(3)由(1)问知,A、B分离之前(2.5s之前),A、B加速度相同;

分离后,对A:a1==m/s2=()m/s2,图像如图所示

               对B:a2==m/s2=(1.5 + t)m/s2,图像如图所示

(4)面积是速度的变化量Δv。 

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简答题

如图所示,一儿童玩具静止在水平地面上,一个幼儿用与水平面成53°角的恒力拉着它沿水平面运动,已知拉力F=4.0N,玩具的质量m=0.5kg,经过时间t=2.0s,玩具移动了距离x=4.8m,这时幼儿松开手,玩具又滑行了一段距离后停下来。(取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6)

(1)玩具在松手之前的加速度?

(2)全过程玩具的最大速度是多大?

(3)松开手后玩具还能滑行多远?

正确答案

解:(1)2.4m/s2

(2)由牛顿第二定律得:F·cos53°-μ(mg-F·sin53°)=ma ①

根据运动学公式知x=at2

vm=at ③

由①②③解得μ=0.67,vm=4.8m/s

(3)松手后玩具滑行的加速度a1=μg=6.7m/s2

滑行距离x==1.7m

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如图所示为仓库中常用的皮带传输装置示意图,它由两台皮带传送机组成,一台水平传送,A 、B 两端相距3m ,另一台倾斜,传送带与地面的倾角θ=37o ,C 、D 两端相距4.45m ,B 、C 相距很近。水平部分 AB 以5m/s的速率顺时针转动。将质量为10kg的一袋大米放在A 端,到达B端后,速度大小不变地传到倾斜的CD 部分,米袋与传送带间的动摩擦因数均为0.5 。试求:

(1)若CD部分传送带不运转,求米袋沿传送带所能上升的最大距离。

(2)若要米袋能被送到D端,求CD部分顺时针运转的速度应满足的条件。

正确答案

解:(1)米袋在 AB 上加速时的加速度ao=μmg/m =μg = 0.5×10 = 5 m/s2米袋的速度达到vo=5 m/s 时,

滑行的距离so = vo2/2ao= 52/2×5 = 2.5 m < dAB=3m

因此米袋在到达B点之前就有了与传送带相同的速度。

设米袋在CD上运动的加速度大小为a,

由牛顿第二定律,有:mg sinθ + μmg cos θ = ma

代入数据解得a=10m/s2

所以能滑上的最大距离s=vo2/2a =52/2×10 = 1.25 m

(2)设CD部分运转速度为v1时米袋恰能到达D点(即米袋到达D 点时速度恰好为零),

则米袋速度减为v1之前的加速度为a1= - g(sinθ + μcos θ)= -10m/s2 米袋速度小于v1至减为零前的加速度为a2= - g(sinθ - μcos θ)= - 2m/s2由 [(v12 - vo2)/2a1 ] + [(0 - v12)/2a2] = 4.45 m

解得v1= 4 m/s,即要把米袋送到D 点,CD 部分的速度vCD ≥ v1= 4m/s

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简答题

质量为m的物体,放在水平面上,它们之间的动摩擦因数μ,现对物体施F的作用力,方向与水平成θ角斜向上,如图所示,物体由静止开始在水平面运动t秒后撤去力F,物体经过一段时间停止。求:

(1)物体开始运动的加速度?

(2)物体的最大速度?

(3)物体总的位移?

正确答案

解:(1)由牛顿定律:

解得:

(2)最大速度:=

(3)物体的总位移:

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简答题

质量m=10kg的物体在方向平行于斜面、大小为F=120N的拉力作用下,从固定粗糙斜面的底端由静止开始沿斜面向上运动,拉力F作用t1=2s后撤去。已知斜面与水平面的夹角θ=37°,如图所示。斜面足够长,物体与斜面间的动摩擦因数μ=0.25 ,取重力加速度g=10m/s2。求:

(1)在拉力F作用下,物体的加速度大小a1

(2)撤去拉力F后,物体沿斜面向上滑行的时间t2

(3)自静止开始到上滑至速度为零时,物体通过的总位移大小S。(sin37°=0.6,cos37°=0.8)

正确答案

(1)4m/s2(2)1s

(3)12m

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简答题

如图所示,质量M=1.0kg的长木板静止在光滑水平面上,在长木板的右端放一质量m=1.0kg的小滑块(可视为质点),小滑块与长木板之间的动摩擦因数μ=0.20。现用水平恒力F=6.0N向右拉长木板,使小滑块与长木板发生相对滑动,经过t=1.0s撤去力F。小滑块在运动过程中始终没有从长木板上掉下。求:

(1)撤去力F时小滑块和长木板的速度各是多大?

(2)小滑块相对长木板静止时,小滑块相对地面运动的总位移。

正确答案

解:(1)对长木板施加恒力F的时间内,小滑块与长木板间相对滑动,小滑块和长木板在水平方向的受力情况如图所示

小滑块所受摩擦力f=μmg

设小滑块的加速度为a1,根据牛顿第二定律f=ma1

解得a1=2.0 m/s2

长木板受的摩擦力f ′=f=μmg

设长木板的加速度为a2,根据牛顿第二定律F-f ′=Ma2

解得a2= 4.0 m/s2

经过时间t=1.0 s,小滑块的速度v1=a1t=2.0 m/s

长木板的速度v2=a2t=4.0 m/s

(2)撤去力F后的一段时间内,小滑块的速度小于长木板的速度,小滑块仍以加速度a1做匀加速直线运动,长木板做匀减速直线运动。设长木板运动的加速度为a3,此时长木板水平方向受力情况如图所示

根据牛顿第二定律f ′=Ma3

解得a3=2.0 m/s2

设再经过时间t1后,小滑块与长木板的速度相等,此时小滑块相对长木板静止

即v1+a1t1=v2-a3t1

解得t1=0.50 s

如图所示,在对长木板施加力F的时间内,小滑块相对地面运动的位移是s1,从撤去F到二者速度相等的过程,小滑块相对地面的位移是s2

所以小滑块相对长木板静止时,小滑块相对地面运动的总位移为

s=s1+s2==2.25 m

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