- 牛顿运动定律
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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,质量为4kg的物体静止于水平面上,物体与水平面间的动摩擦因数为0.5,物体受到大小为20N,与水平方向成37°角的斜向上的拉力作用时沿水平面做匀加速运动。求3s内物体的位移是多大?(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
解:对物体受力分析,物体做匀加速运动,所以有
而
物体的位移为
一列质量为103 t的列车,列车牵引力为3.5×105 N,运动中所受阻力为车重的0.01倍。列车由静止开始做匀加速直线运动,速度变为180 km/h需多少时间?(g取10 m/s2)
正确答案
解;列车总质量m=103 t=106 kg
总重G=mg=107 N
运动中所受阻力f=0.01G=0.01×107 N=1×105 N
设列车匀加速运动的加速度为a,由牛顿第二定律得,F-f=ma
则列车的加速度m/s2=0.25m/s2列车由静止加速到v=180 km/h=50 m/s
所用时间为t=s=200 s
一质量为m=2kg的物体置于水平面上,在水平外力的作用下由静止开始运动,水平外力随时间的变化情况如下图1所示,物体运动的速度随时间变化的情况如下图2所示,4s后图线没有画出。g取10m/s2。求:
(1)物体在第2s末的加速度a;
(2)物体与水平面间的摩擦因数μ;
(3)物体在前6s内的位移X。
正确答案
解:(1)根据V-t图像和加速度定义式:
(2)在0-4s内,在水平方向:
解出:μ=0.2
(3)设前4s的位移为X,根据位移公式:=8m
4s后的加速度为a2,则:
解出:a2=-1m/s2物体4-6s内,根据位移公式:=6m
物体在前8s内的位移X=x1+x2=14m
两套完全相同的小物块和轨道系统,轨道固定在水平桌面上。物块质量=1kg,轨道长度=2m,物块与轨道之间动摩擦因数μ=0.2。现用水平拉力1=8N、2=4N同时拉两个物块,分别作用一段距离后撤去,使两物块都能从静止出发,运动到轨道另一端时恰好停止。(=10m/s2)求:
(1)在1作用下的小物块加速度1多大?
(2)1作用了多少位移1?
(3)从两物块运动时开始计时直到都停止,除了物块在轨道两端速度都为零之外,另有某时刻两物块速度相同,则为多少?
正确答案
解:(1)1-μ116m/s2(2)动能定理1-μ0
=0.5(3)F2作用下的物块2-μ222m/s2两物块速度相同时,一定在上方物块减速阶段
上方物块最大速度m/s=2.45m/s
2=-(-/1)
得=0.816
如图所示,一长木板质量为M=4 kg,木板与地面的动摩擦因数μ1=0.2,质量为m=2kg的小滑块放在木板的右端,小滑块与木板间的动摩擦因数μ2=0.4。开始时木板与滑块都处于静止状态,木板的右端与右侧竖直墙壁的距离L=2.7 m,现给木板以水平向右的初速度v0=6 m/s使木板向右运动,设木板与墙壁碰撞时间极短,且碰后以原速率弹回,取g=10 m/s2,求:
(1)木板与墙壁碰撞时,木板和滑块的瞬时速度各是多大?
(2)木板与墙壁碰撞后,经过多长时间小滑块停在木板上?
正确答案
解:(1)木板获得初速度后,与小滑块发生相对滑动,木板向右做匀减速运动,滑块向右做匀加速运动,加速度大小分别为
设木板与墙碰撞时,木板的速度为vM,小滑块的速度为vm,根据运动学公式有
解得vM=3 m/s
时间
故vm=amt1=2.4 m/s
(2)设木板反弹后,小滑块与木板达到共同速度所需时间为t2,共同速度为v,以水平向左为正方向
对木板有v=vM-aMt2对滑块有v=-vm+amt2代入数据解得t2=0.6 s
青岛海滨游乐场有一种滑沙娱乐活动如图所示,人坐在滑板上从斜坡高处A点由静止开始下滑,滑到斜坡底部B点后沿水平滑道再滑行一段距离到C点停下来,若忽略B处对速度大小的影响,板与滑道的动摩擦因数均为μ=0.5,不计空气阻力,g取10 m/s2。
(1)若斜坡倾角θ=37°,人和滑块的总质量为m=60 kg,求人在斜坡上下滑时的加速度大小.(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
(2)若由于受到场地的限制,A点到C点的水平距离为50 m,为确保人身安全,请你设计斜坡的高度.
正确答案
解:(1)在斜坡上下滑时,由牛顿第二定律可知:
mgsinθ-Ff=ma ①
FN-mgcosθ=0 ②
Ff=μFN ③
解①②③得a=gsinθ-μgcosθ=2 m/s2
(2)设斜坡倾角为θ,坡的最大高度为h,滑到B点时速度为v,则v2=2a ④
由于沿BC滑动时的加速度为a′=μg
则xBC=v2/(2a′)
为确保安全,则有xBC+hcotθ≤50
解得h≤25 m,即斜坡高度不应高于25 m
如图所示,小球甲从倾角θ=30°的光滑斜面上高h=5cm的A点由静止释放,同时小球乙自C点以速度v0沿光滑水平面向左匀速运动,C点与斜面底端B处的距离L=0.4m.甲滑下后能沿斜面底部的光滑小圆弧平稳地朝乙追去,甲释放后经过t=1s刚好追上乙,求乙的速度v0。
正确答案
解:设小球甲在光滑斜面上运动的加速度为a,运动时间为t1,运动到B处时的速度为v1,
从B处到追上小球乙所用时间为t2,则a=gsin30°=5m/s2 由得:
t2=t-t1=0.8s
v1=at1=1m/s
v0t+L=v1t2代入数据解得:v0=0.4 m/s。
2011年3月11日,日本大地震以及随后的海啸给日本带来了巨大的损失。灾后某中学的部分学生组成了一个课题小组,对海啸的威力进行了模拟研究,他们设计了如下的模型:如图甲在水平地面上放置一个质量为m=4kg的物体,让其在随位移均匀减小的水平推力作用下运动,推力F随位移x变化的图像如图乙所示,已知物体与地面之间的动摩擦因数为,
。
(1)运动过程中物体的最大加速度为多少?
(2)在距出发点什么位置时物体的速度达到最大?
(3)物体在水平面上运动的最大位移是多少?
正确答案
解:(1)牛顿运动定理F-μmg=ma
当推力F=100N时,物体所受合力最大,加速度最大
代入解得a=F/m-μg=20m/s2(2)由图像可得推力F随位移x变化的数值关系为:F=100-25x
速度最大时,物体加速度为零
则F=μmg
代入解得x=3.2m
(3)由图像得推力对物体做功WF=1/2F·x0=200J
动能定理WF-μmgxm=0
代入数据得xm=10m
杂技演员在进行“顶竿”表演时,用的是一根质量可忽略不计的长竹竿。质量为m=30 kg的演员自竹竿顶部由静止开始下滑,滑到竹竿底端时速度恰好为零。为了研究下滑演员沿竿的下滑情况,在顶竿演员与竹竿底部之间安装一个传感器。由于竹竿处于静止状态,传感器显示的就是下滑演员所受摩擦力的情况,如图所示,g取10 m/s2。求:
(1)下滑演员下滑过程中的最大速度;
(2)竹竿的长度。
正确答案
解:(1)由图象可知,下滑演员在t1=1 s内匀加速下滑,设下滑的加速度为a,则根据牛顿第二定律有
mg-F=ma
1 s末下滑演员的速度达最大vm=at1=4 m/s
(2)由图象可知,1 s末~3 s末下滑演员做匀减速运动,末速度为零,则杆长为
或
如图所示,半径为R的光滑绝缘圆环固定在竖直平面内,在环的底端B点固定一个带正电的小珠,环上还套有一个质量为m,带有与小珠等量正电荷的小球,现将小球从A点(半径OA水平)由静止释放开始运动,当运动到C点(∠AOC=30。)时获得的最大动能为Ekm,求
(1)小球在A点刚释放时运动的加速度?
(2)小球从位置A运动到位置C的过程中所受静电力做的功?
(3)小球在位置C时受到圆环对它的作用力?
正确答案
(1)
(2)Ekm-1/2mgR
(3)mg+2Ekm/R
如图甲所示为学校操场上一质量为20 kg的竖直滑竿,为了研究学生沿竿下滑的情况,在竿顶部装有一力传感器,可显示竿顶端所受拉力的大小。现有一质量为50kg的学生从上端由静止滑下,滑到竿底时速度恰好为零。以学生开始下滑时刻为计时起点,传感器显示的拉力随时间变化情况如图乙所示,g取10 m/s2。求:
(1)该学生下滑过程中的最大速度;
(2)滑竿的长度。
正确答案
解:(1)由图知学生先匀加速后匀减速下滑,1 s末速度最大,设匀加速下滑过程中加速度为a1,则有:
=4 m/s2
v1=a1t1=4×1 m/s=4 m/s
(2)设匀减速下滑过程中加速度为a2,则有:
滑竿长度x=x1-x2=2m+4m=6 m
如图所示,一条轨道固定在竖直平面内,粗糙的ab段水平,bcde段光滑,cde 段是以O为圆心、R为半径的一小段圆弧,可视为质点的物块A和B紧靠在一起,静止于b处,A的质量是B的3倍。两物块在足够大的内力作用下突然分离,分别向左、右始终沿轨道运动。B到d点时速度沿水平方向,此时轨道对B的支持力大小等于B所受重力的3/4。A与ab段的动摩擦因数为μ,重力加速度为g,求:
(1)物块B在d点的速度大小v;
(2)物块A滑行的距离s。
正确答案
解:(1)设物块A和B的质量分别为mA和mB B在d处的合力为F,依题意①
由牛顿第二定律得②
③
(2)设A和B分开时的速度分别为v1和v2,系统动量守恒mAv1-mBv2=0 ④
B从位置b运动到d的过程中,机械能守恒⑤
A在滑行过程中,由动能定理 ⑥
联立③④⑤⑥得 ⑦
如图所示,重100N的物体A以初速度v=10m/s沿倾角为37°的斜面向上滑动,斜面对物体A的摩擦力的大小为10N。已知sin37°=0.6,cos37°=0.8。取g=10m/s2,求:
(1)物体A受哪几个力的作用?
(2)将A所受各力在沿斜面方向和垂直斜面方向进行分解,求各力在这两个方向上分力的合力。
(3)A与斜面间的动摩擦因数为多大?
(4)物体A从开始运动1s后的速度和位移各多大?
正确答案
解:(1)受力如图,重力G、支持力FN和摩擦力f
(2)分解后沿斜面方向的合力大小F合=f+Gsin37°=70N
垂直斜面方向的合力为FN-Gcos37°=0
(3)由f=μFN得A与斜面间的动摩擦因数μ=f/FN=0.125
(4)由牛顿第二定律物体的加速度为a=F合/m=7m/s2
由运动规律公式,物体的在1s后的速度为v1=v-at=3m/s
位移为s1=vt-at2/2=6.5m
如图所示,质量为5kg的物体与水平地面间的动摩擦因数μ=0.2,现用F=25N与水平方向成θ=37°的力拉物体,使物体由静止加速运动,10s后撤去拉力。求:
(1)物体在两个阶段的加速度各是多大?(g取10m/s2)
(2)物体从运动到停止总的位移。
正确答案
(1)2.6 m/s2,2 m/s2
(2)299 m
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