- 牛顿运动定律
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如图所示,一个人用与水平方向成θ=37°角的斜向下的推力F推一个重G=200N的箱子匀速前进,箱子与地面间的动摩擦因数为μ=0.5(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2)。
(1)求推力F的大小。
(2)若人不改变推力F的大小,只把力的方向变为水平去推这个静止的箱子,推力作用时间t=3s后撤去,求箱子滑行的总位移为多大?
正确答案
解:(1)选箱子为研究对象,其受力如图所示
由平衡条件知:,
联立得:
(2)过程及受力分析如图所示
前3s内:
3s末:
前3s内的位移:
撤去F后:箱子还能滑行
,由:
得
所以箱子通过的总位移:
如图所示,光滑水平面上放一足够长的木板A,质量M=2kg,小铁块B质量为m=1kg,木板A和小铁块B之间的动摩擦因数μ=0.2,小铁块B以V0=6m/s的初速度滑上木板A,g=10m/s2。
(1)用外力固定木板A,求小铁块在木板上滑行的距离?
(2)不固定木板A,小铁块B滑上木板之后要多长时间A、B相对静止?
正确答案
解:(1)小铁块B在木板上滑行的加速度大小为a1,则
a1==μg=2m/s2
小铁块以V0为初速度做加速度大小为a2的匀减速直线运动,设在木块上滑行的距离为s,则
s=V02/2a1=9m
(2)木块A的加速度大小为a2,则
a2==1m/s2
当A、B相对静止时,它们的速度相等,设经过的时间为t,则有
VA=a2t
VB=V0-a1t
VA=VB即:V0-a1t=a2t
解得:t=2s
如图所示,质量为m=1Kg的物体以v0=20m/s的初速度沿粗糙的水平面向左运动,物体与地面的动摩擦因数μ=0.4,同时物体受到一个始终向右的6N的力F作用,经过3s,撤去外力F,求物体滑行的总位移?(g=10m/s2)
正确答案
解:第一段运动过程:物体在力F的作用下,向左先做匀减速直线运动
加速度a1=(F+Ff)/m=(F+μmg)/m=(6+0.4×1×10)/1 m/s2=10 m/s2
设经过时间t1物体速度减为0,根据V=V0+at,得:0=20-10t1,t1=2s
这2s内的位移为:x1=V0t/2=(20×2)/2 m =20m
第二段运动过程:向右做匀加速直线运动
加速度a2=(F-Ff)/m=(6-0.4×1×10)/1 m/s2=2 m/s2
力F撤去瞬间物体的速度:V=a2×t2=2×1 m/s=2m/s
这1s的位移:x2=Vt2/2=2×1/2 m=1m
第三段运动过程:向右做匀减速直线运动
加速度a3=μmg/m=μg=0.4×10 m/s2=4 m/s2
运动时间t3=v/a3=2/4s=0.5s
这0.5s的位移:x3=Vt3/2=2×0.5/2 m=0.5m
物体滑行的总位移:x=x1+x2+x3=21.5m
如图所示,有两个高低不同的光滑水平面,一质量M=5kg、长L=2m的平板车靠高水平面边缘A点放置,上表面恰好与高水平面平齐。一质量m=1kg可视为质点的滑块静止放置,距A点距离为L0=3m,现用大小为6N、水平方向的外力F拉小滑块,当小滑块运动到A点时撤去外力,滑块以此时的速度滑上平板车。滑块与平板车间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10m/s2。
(1)求滑块滑动到A点时的速度大小;
(2)求滑块滑动到平板车上时,滑块和平板车的加速度大小分别为多少?
(3)通过计算说明滑块能否从平板车的右端滑出。
正确答案
解:(1)=6
(2)滑块加速度大小=5
平板车加速度大小=1
(4)设平板车足够长,小滑块与平板车速度相等时:
得:t=1s,
则此时小滑块位移:
平板车位移:
所以: ,小滑块滑出平板车右端。
光滑斜面AB与一粗糙水平面BC连接,斜面倾角θ=30°,质量m=2kg的物体置于水平面上的D点,DB间的距离d=7m,物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.2,将一水平向左的恒力F=8N作用在该物体上,t=2s后撤去该力,不考虑物体经过B点时的速度损失。求撤去拉力F后,经过多长时间物体经过B点?
正确答案
两次经过B点,第一次1s,第二次1.8s
如图所示,一儿童玩具静止在水平地面上,一个幼儿沿与水平面成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。
(1)全过程玩具的最大速度是多大?
(2)松开手后玩具还能运动多远?(取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6)
正确答案
解:(1)由牛顿第二定律得 ①
据运动学公式 ②
③
由①②③解得,
(2)松手后
滑行距离
如图所示,在光滑的水平面上有一质量为M的平木板正以速度v向右运动。现把一质量为m的木块无初速地放到平木板的右端,由于木块与平木板间摩擦力的作用,平木板的速度将要发生变化。为使平木板保持原有的速度不变,必须及时对平木板施加一向右的水平恒力F。当水平恒力作用一段时间后把它撤去时,木块恰能随平木板一起以速度v共同向右运动。求在上述过程中,水平恒力对平木板做的功。
正确答案
解:设木块和平木板间的动摩擦因数为,当木块无初速放上木板后,由于相对滑动,使木板受到向左的摩擦力,要使木板能保持匀速不变,水平恒力F的大小应满足:F=μmg
而木块在滑动摩擦力的作用下,作匀加速运动,设历时t将与木板速度相同。则
又
所以:
在这段时间内,木板的位移:
所以,水平恒力对木板做的功为:。
在游乐场里有一种滑沙运动。如图所示,某人坐在滑板上从斜坡的高处A点由静止开始滑下,滑到斜坡底端B点后沿水平滑道再滑行一段距离到C点停下来。若人和滑板的总质量m=50 kg,滑板与斜坡滑道和水平滑道间的动摩擦因数均为μ=0.4,斜坡的倾角θ=37°。设斜坡与水平滑道间是平滑连接的,整个运动过程中空气阻力忽略不计(取g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)。求:
(1)人从斜坡上滑下时的加速度为多大?
(2)若由于场地的限制,水平滑道的最大距离BC为L=28 m,则人从斜坡上滑下的距离AB应不超过多少米?
正确答案
解:(1)斜坡上,对人和滑板分析
由得:
所以,=2.8m/s2
(2)水平滑道上,对人和滑板分析
=4m/s2
设在B处速度为v,则
所以40m
如图,一块质量为M=2kg,长L=1m的匀质木板放在足够长的光滑水平桌面上,初始时速度为零。板的最左端放置一个质量m=1kg的小物块,小物块与木板间的动摩擦因数为μ=0.2,小物块上连接一根足够长的水平轻质细绳,细绳跨过位于桌面边缘的定滑轮(细绳与滑轮间的摩擦不计,木板与滑轮之间距离足够长,g=10m/s2)。
(1)若木板被固定,某人以恒力F=4N向下拉绳,则小木块滑离木板所需要的时间是多少?
(2)若木板不固定,某人仍以恒力F=4N向下拉绳,则小木块滑离木板所需要的时间是多少?
(3)若人以恒定速度v1=1m/s向下匀速拉绳,同时给木板一个v2=0.5m/s水平向左的初速度,则木块滑离木板所用的时间又是多少?
正确答案
解:(1)对小物块受力分析,由牛顿第二定律得:
可得:a =2m/s2运动学公式:
可得
(2)对小物块、木板受力分析,由牛顿第二定律得:,
可得:a1=2m/s2,a2=1m/s2
物块的位移,木板的位移
又
由以上三式可得t=s
(3)木板向左做匀减速运动,由牛顿第二定律得:
可得:a3=1m/s2,方向向右
物块向右匀速运动,其位移为x3=v1t
木板向左的位移为x4=v2t-
又x3+x4=L
由以上三式可得t=1s
将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中,如图所示,在箱的上顶板和下底板装有压力传感器,箱可以沿竖直轨道运动,当箱以a=2.0m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时,上顶板的传感器显示的压力为6.0N,下底板的传感器显示的压力为10.0N。(取g=10m/s2)
(1)若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半,试判断箱的运动情况。
(2)使上顶板传感器的示数为零,箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的?
正确答案
(1)静止或匀速运动
(2)向上加速运动或向下减速运动,加速度a≥10m/s2
将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中,如图所示,在箱的上顶板和下底板装有压力传感器,箱可以沿竖直轨道运动,当箱以a=2.0m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时,上顶板的传感器显示的压力为6.0N,下底板的传感器显示的压力为10.0N。(取g=10m/s2)
(1)若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半,试判断箱的运动情况。
(2)使上顶板传感器的示数为零,箱沿竖直方向运动的情况可是怎样的?
正确答案
(1)静止或匀速运动
(2)向上加速运动或向下减速运动,加速度a≥10m/s2
如图所示一个静止在水平面上的物体,质量是2kg,在水平方向受到5N的拉力由静止开始做匀加速直线运动,物体跟水平面间的动摩擦因数为μ=0.1。求:(g取10)
(1)求物体在4s末的速度;
(2)若在4s末撤去拉力,求物体滑行时间;
(3)求物体的总位移。
正确答案
(1)6m/s
(2)6s
(3)30m
如图所示,质量M = 1kg的木板静止在粗糙的水平地面上,木板与地面间的动摩擦因数μ1=0.1,在木板的左端放置一个质量m=1kg,大小可以忽略的铁块,铁块与木板间的动摩擦因数μ2=0.4,认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取g=10m/s2。试求:
(1)若木板长L=1m,在铁块上加一个水平向右的恒力F=8N,经过多长时间铁块运动到木板的右端?
(2)若在木板(足够长)的右端施加一个大小从零开始连续增加的水平向左的力F,请在图中画出铁块受到的摩擦力f随拉力F大小变化的图像,要求有计算过程。
正确答案
解:(1)铁块:
木板:
由以上三式解得:
(2)设推力为F时恰好发生相对滑动:
木板:
铁块:
由以上三式解得:
当时,木板不动,
当时,共同加速,
当时,发生相对滑动,
f随F的变化关系图像如图所示:
质量为m =2kg的物体,放在水平面上,它们之间的动摩擦因数μ=0.5,现对物体施F =10N的作用力,方向与水平成θ=37°(sin37°=0.6)角斜向上,如图所示,物体运动4s后撤去力F到物体再停止时,通过的总位移是多少?(g=10 m/s2)
正确答案
解:
加速阶段:
mg = FN + Fsinθ
Fcosθ-μFN= ma1
a1 = 0.5 m/s2Vt = a1t= 2m/s
x1 = a1t2= 1m
减速阶段:
-μmg = ma2a2 =-μg = -5m/s2
-V2 =2a2s
x2 = 0.4m
x =x1+x2=1.4m
质量m=1kg的均质木板条长L=0.24m,放在离桌边缘s=1.0m处,板与桌面间的动摩擦因数为μ=0.4。
(1)当对物体施加F=6N的水平拉力作用时,物体运动的加速度多大?
(2)0.5s内木板滑行的距离多大?
(3)用F=10N、与水平方向成37°斜向下的推力至少作用多长时间木板才能滑离桌面?
正确答案
解:(1)
(2)
(3)
设力F作用的时间为t1,撤去力F后在桌面上运动至翻离桌面时间为t2
则撤去力F时速度大小
在桌面上滑动的总位移
联立解得
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