- 曲线运动
- 共20011题
如图所示,一光滑的曲面与长L=2m的水平传送带左端平滑连接,一滑块从曲面上某位置由静止开始下滑,滑块与传送带间的动摩擦因数μ=0.5,传送带离地面高度h0=0.8m。
(1)若传送带固定不动,滑块从曲面上离传送带高度h1=1.8m的A处开始下滑,求滑块落地点与传送带右端的水平距离;
(2)若传送带以速率v0=5m/s顺时针匀速转动,求滑块在传送带上运动的时间。()
正确答案
解:(1)滑块滑至水平传送带的初速度为v1,则
,
滑块的加速度a=μg,设滑块到达传送带右端的速度为v2由,得v2=4m/s
滑块到达传送带右端做平抛运动,设平抛运动的时间为t,则
,
落地点与传送带右端的水平距离m
(2)设滑块从传送带左端运动到和传送带速度v0相同时所用时间为t1,位移为x1由,得t1=0.2s
由m<L
说明滑块先做匀加速运动后做匀速运动,x2=L-x1=0.9m
滑块做匀速运动的时间s
所以s
如图所示,长为L=1.00m的非弹性轻绳一端系于固定点O,另一端系一质量为m=1.00kg的小球,将小球从O点正下方d=0.40m处,以水平初速度v0向右抛出,经一定时间绳被拉直。已知绳刚被拉直时,绳与竖直方向成53°角,sin53°=0.8,cos53°=0.6,重力加速度g取10m/s2。求:
(1)小球水平抛出的初速度v0的大小。
(2)小球摆到最低点时绳对小球的拉力大小。
正确答案
解:(1)当绳被拉直时,小球下降的高度h=Lcosθ-d=0.2m
据h=gt2/2,可得t=0.2s
所以v0=Lsinθ/t=4m/s
(2)当绳被拉直前瞬间,小球竖直方向上的速度vy=gt=2m/s,绳被拉直后球沿绳方向的速度立即为零,沿垂直于绳方向的速度为vt=v0cos53°-vysin53°=0.8m/s,垂直于绳向上
此后的摆动到最低点过程中小球机械能守恒:
在最低点时有:
代入数据可解得:T=18.64N
如图所示为火车站装载货物的原理示意图。设AB段是距水平传送带装置高为H=5m的光滑斜面,水平段BC使用水平传送带装置,BC长L=8m,与货物的动摩擦因数为μ=0.6,皮带轮的半径为R=0.2m,上部距车厢底水平面的高度h=0.45m设货物由静止开始从A点下滑,经过B点的拐角处无机械能损失,通过调整皮带轮(不打滑)的转动角速度ω可使货物经C点抛出后落在车厢上的不同位置,取g=10m/s2,求:
(1)当皮带轮静止时,货物在车厢内的落地点到C点的水平距离;
(2)当皮带轮以角速度ω=20rad/s顺时针方向匀速转动时,货物在车厢内的落地点到C点的水平距离;
(3)试写出货物在车厢内的落地点到C点的水平距离s随皮带轮角速度ω变化关系,并画出s-ω图象。(设皮带轮顺时针方向转动时,角速度ω取正值,水平距离向右取正值)
正确答案
解:设货物在B点的速度为v0,由机械能守恒定律可得:
得:
(1)货物从B到C做匀减速运动,由动能定理得:
落地点到C点的水平距离:
(2)皮带速度:v皮=ω·R=20×0.2m/s=4m/s
结合(1)可知,货物先减速运动,当速度减小为4m/s时开始做匀速运动,最后从C点抛出,落地点到C点的水平距离:
(3)①皮带轮逆时针方向转动:
无论角速度为多大,货物从B到C均做匀减速运动,在C点的速度为vC=2 m/s,落地点到C点的水平距离s=0.6m
②皮带轮顺时针方向转动时:
I.当0≤ω≤10 rad/s时:s=0.6 m
Ⅱ.当10<ω≤50 rad/s时:
Ⅲ.当50<ω<70 rad/s时:
Ⅳ.当ω≥70 rad/s时:
s-ω图象如图所示:
如图所示,一个圆弧形光滑细圆管轨道ABC,放置在竖直平面内,轨道半径为R,在A点与水平地面AD相接,地面与圆心O等高,MN是放在水平地面上长为3R、厚度不计的垫子,左端M正好位于A点,将一个质量为m、直径略小于圆管直径的小球从A处管口正上方某处由静止释放,不考虑空气阻力
(1)若小球从C点射出后恰好能打到垫子的M端,则小球经过C点时对管的作用力大小和方向如何?
(2)欲使小球能通过C点落到垫子上,小球离A点的最大高度是多少?
正确答案
解:(1)小球离开C点做平抛运动,落到M点时水平位移为R,竖直下落高度为R,
根据运动学公式可得:,
从C点射出的速度为
设小球以Vl经过C点受到管子对它的作用力为FN,
由向心力公式可得,
由牛顿第三定律知,小球对管子作用力大小方向竖直向下。
(2)小球静止释放的高度最高时,小球运动的水平位移为4R,打到N点。
设能够落到N点的水平速度为v2,根据平抛运动求得:
设小球离A点的最大高度为H,根据机械能守恒定律可知:
,
。
如图所示,光滑绝缘的细圆管弯成半径为R的半圆形,固定在竖直平面内,管口B、C的连线是水平直径。现有一带正电小球(可视为质点)从B点正上方的A点自由下落,A、B亮点间距离为4R。从小球进入管口开始,整个空间突然加上一个匀强电场,电场力在竖直向上的分力大小与重力大小相等,结构小球从管口C处脱离圆管后,其运动轨迹最后经过A点。设小球运动过程中带电量没有改变,重力加速度为g。求:
(1)小球到达B点的速度大小;
(2)小球受到的电场力的大小和方向;
(3)小球经过管口C处时对圆管壁的压力。
正确答案
解:(1)小球从开始自由下落到达管口B的过程中机械能守恒,故
到达B点时速度大小
(2)设电场的竖直分力为Fy、水平分力为Fx,则Fy=mg(Fy方向竖直向上)
小球从B运动到C的过程中,由动能定理得
小球从管口C处脱离圆管后,做类平抛运动,轨迹经过A点,则
联立解得,电场力大小
电场力的合力方向与水平方向成θ角,则
小球受电场力方向与水平方向间的夹角°
(3)小球经过管口C处时,向心力由Fx和圆管的弹力N提供,设弹力N的方向向左,即
解得N=3mg(方向向左)
根据牛顿第三定律可知,小球经过管口C处时对圆管的压力FN=3mg,方向水平向右
如图所示,一位质量m=60kg参加“挑战极限”的业余选手,要越过一宽度为s=2.5m的水沟,跃上高为H=2.0m的平台,采用的方法是:人手握一根长L=3.25m的轻质弹性杆一端,从A点由静止开始匀加速助跑,至B点时,杆另一端抵在O点的阻挡物上,接着杆发生形变、同时脚蹬地,人被弹起,离地时重心高h=0.8m,到达最高点时杆处于竖直,人的重心在杆的顶端。运动过程中空气阻力可忽略不计。(取g=10m/s2)
(1)第一次试跳,人恰能到达最高点,则人在B点离开地面时的速度v1是多少?
(2)第二次试跳,人在最高点放开杆水平飞出,恰好趴落到平台边缘,则人在最高点飞出时速度v2至少多大?
(3)设在第二次试跳中,人跑到B点时速度大小为vB=8m/s,求人在B点蹬地弹起瞬间,至少应做多少功?
正确答案
解:(1)由机械能守恒定律,得
(2)人飞出作平抛运动,最高点速度v最小时人刚好落在平台上,则
S=vt
解得
(3)设蹬地瞬间人做功W,由动能定理,有
如图所示,半径为R的光滑圆柱体被固定在水平平台上,圆柱体中心离台边水平距离为0.5R,质量为m1的小球用轻绳跨过圆柱与小球m2相连,开始时将m1控制住放在平台上,两边轻绳竖直。现在释放m1,让m1和m2分别由静止开始运动,当m1上升到圆柱体的最高点时,绳子突然断了,m1恰能做平抛运动,重力加速度为g,求:
(1)m1平抛时的速度v多大?
(2)m2应为m1的多少倍?
(3)m1做平抛运动的过程中,恰能经过与台面等高的B点,求B点离台边的距离SAB多大?
正确答案
解:(1)由牛顿第二定律:若m1恰能平抛,则m1g=
得v=
(2)当m1上升2R到圆柱体最高点时,m2下降R+R
由机械能守恒:m2gR(1+)-m1g2R=
(m1+m2)v2
得=
(3)平抛运动时间:t==2
平抛水平距离x=vt=2R
离台边:SAB=x-0.5R=1.5R
如图所示,PABCD是固定在竖直平面内的光滑绝缘轨道,其中PA是竖直轨道,ABCD是半径为R的圆弧轨道,两轨道在A点平滑连接。B、D分别为圆弧轨道的最低点和最高点,B、D连线是竖直直径,A、C连线是水平直径,P、D在同一水平线上。质量为m、电荷量为+q的小球从轨道上P点静止释放,运动过程电荷量保持不变,重力加速度为g。
(1)小球运动到B点时,轨道对小球的作用力为多大?
(2)当小球运动到C点时,突然在整个空间中加上一个方向竖直向上的匀强电场,电场强度结果小球运动到点D后水平射出,经过一段时间碰到了轨道的Q点,求Q点与P点间的距离s。
正确答案
解:(1)小球从P点运动到B点过程,根据机械能守恒定律得 ①
在B点,根据牛顿定律得 ②
由以上两式解得轨道对小球的作用力NB=5mg ③
(2)小球从P点运动到D点过程,由动能定理得 ④
小球离开D点后做类平抛运动,设Q点在轨道PA上水平方向上做匀速运动,有R=vDt ⑤
竖直方向上做匀加速运动有mg-qE=ma ⑥
⑦
将代入,由以上各式解得
⑧
由于y<R,因此碰撞点Q在轨道PA上 ⑨
即Q点与P点间的距离 ⑩
质量为m=1kg的小物块轻轻放在水平匀速运动的传送带上的P点,随传送带运动到A点后水平抛出,小物块恰好无碰撞的沿圆弧切线从B点进入竖直光滑圆孤轨道下滑。B、C为圆弧的两端点,其连线水平,斜面与圆弧轨道在C点相切连接(小物块经过C点时机械能损失不计)。已知圆弧半径R=1.0 m,圆弧对应圆心角,轨道最低点为O,A点距水平面的高度h=0.8m。设小物块首次经过C点时为零时刻,在t=0.8s时刻小物块经过D点,小物块与斜面间的滑动摩擦因数为
。(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)试求:
(1)小物块离开A点的水平初速度vA大小;
(2)小物块经过O点时对轨道的压力;
(3)斜面上CD间的距离。
正确答案
解:(1)对小物块,由A到B有
在B点
所以m/s
(2)对小物块,由B到O有
m/s
在O点
所以N=43N
由牛顿第三定律知对轨道的压力为
(3)物块沿斜面上滑:,
m/s2
物块沿斜面下滑:,a2=6 m/s2
由机械能守恒知m/s
小物块由C上升到最高点历时s
小物块由最高点回到D点历时s
故=0.98 m
如图所示,在倾角为的光滑斜面上,有一长为
的细线,细线的一端固定在O点,另一端拴一质量为
的小球,现使小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动,已知O点到斜面底边的距离
。求:
(1)小球通过最高点时的速度
;
(2)小球通过最低点时,细线对小球的拉力;
(3)小球运动到点或
点时细线断裂,小球沿斜面滑落到斜面底边时到
点的距离若相等,则
和
应满足什么关系。
正确答案
解:(1)小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动,小球通过A点时细线的拉力为零,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:
小球在B点时根据圆周运动和牛顿第二定律有:
解得:
(3)小球运动到A点或B点时细线断裂,小球在平行底边方向做匀速运动,在垂直底边方向做初速为零的匀加速运动(类平抛运动)
细线在A点断裂:
细线在B点断裂:
又
联立解得:
如图所示,质点小球1、2的质量分别为m1=1kg与m2=2kg,用细线固定置于光滑水平面上,中间轻质弹簧处于压缩状态,弹性势能为Ep=30J。某时刻绳子断开,小球被弹开,小球1、2得到了相等大小的动量,尔后分别进入竖直光滑圆轨道,且刚好能通过轨道的最高点,(g取10m/s2)求:
(1)轨道半径R1、R2分别为多少?
(2)要使两小球落下后不砸到对面轨道,水平轨道的长度s应满足什么条件?
正确答案
(1)R1=1m,R2=0.2m
(2)s2R2=0.4m
滑板运动是青少年喜爱的一项活动。如图所示,滑板运动员以某一初速度从A点水平离开h=0.8m高的平台,运动员(连同滑板)恰好能无碰撞的从B点沿圆弧切线进入竖直光滑圆弧轨道,然后经C点沿固定斜面向上运动至最高点D。圆弧轨道的半径为1m,B、C为圆弧的两端点,其连线水平,圆弧对应圆心角θ=106°,斜面与圆弧相切于C点。已知滑板与斜面问的动摩擦因数为μ=,g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,不计空气阻力,运动员(连同滑板)质量为50kg,可视为质点。试求:
(1)运动员(连同滑板)离开平台时的初速度v0;
(2)运动员(连同滑板)通过圆弧轨道最底点对轨道的压力;
(3)运动员(连同滑板)在斜面上滑行的最大距离。
正确答案
解:(1)运动员离开平台后从A至B在竖直方向有: ①
在B点有: ②
由①②得: ③
(2)运动员在圆弧轨道做圆周运动
④
⑤
联立③④⑤解得N=2150N
(3)运动员从A至C过程有: ⑥
运动员从C至D过程有: ⑦
由③⑥⑦解得:
如图所示,一质量为m=1kg的小滑块从半径为R=0.8m的光滑圆弧轨道顶端静止释放.到达圆弧轨道底端时恰好滑上上表面与圆弧轨道底端相切的木板,木板的质量M=1kg.开始静置在水平地面上,小滑块滑上木板后,木板开始向右滑动,最终小滑块以vm=2m/s的水平速度飞离木板.己知木板高h=0.8m,小滑块与木板间的动摩擦因数为μ1=0.4,木板与水平地面间的动摩擦因数为μ2=0.1,g取10m/s2求:
(1)小滑块滑至圆弧轨道最底端时,圆弧轨道对小滑块的弹力大小;
(2)小滑块飞离木板时木板的速度大小;
(3)小滑块从滑上木板到落至水平地面的过程中,小滑块在水平方向上移动的距离.
正确答案
(1)、小滑块在圆弧轨道运动过程中,由机械能守恒可知:mgR=m
…①
代入数值解得到底端时速度:v0=4m/s…②
当小滑块滑至圆弧轨道底端瞬间,由牛顿第二定律可知:FN-mg=m…③
得圆弧轨道对小滑块的弹力大小:FN=30N…④
(2)、小滑块滑上木板后,由牛顿第二定律可知滑块的加速度:am==μ1g=4m/s2…⑤
木板的加速度:aM==2 m/s2…⑥
又对滑块由速度公式得:vm=v0-amt…⑦
对木板由速度公式得:vM=aMt…⑧
由⑤⑥⑦⑧解得:
小滑块在木板上运动的时间:t=0.5s …⑨
木板的速度:vM=1m/s…⑩
(3)小滑块水平飞离木板后做平抛运动,运动时间:t′==0.4s…⑪
又小滑块在木板上滑动时运动的距离:sm=t=1.5m…⑫
平抛的水平距离:s'm=vmt=0.8m'…⑬
∴小滑块从滑上木板到落地的过程中,小滑块在水平方向移动的距离s=sm+s'm=2.3m…⑭
答:(1)、圆弧轨道对小滑块的弹力大小是30N.
(2)、小滑块飞离木板时木板的速度大小1m/s.
(3)、小滑块从滑上木板到落地的过程中,小滑块在水平方向移动的距离是2.3m.
小球在外力作用下,由静止开始从A点出发做匀加速直线运动,到B点时消除外力。然后,小球冲上竖直平面内半径为R的光滑半圆环,恰能维持在圆环上做圆周运动通过最高点C,到达最高点C后抛出,最后落回到原来的出发点A处,如图所示,试求:
(1)小球运动到B点时的速度;
(2)A、B之间的距离;
(3)小球在AB段运动的加速度为多大?
正确答案
(1)
(2)SAB=2R
(3)
质量为m的小滑块自圆弧轨道上端由静止滑下,如图所示,圆弧轨道半径为R,高度为h.A点为弧形轨道与水平桌面的平滑接点.滑块离开桌面后恰好落人静止在水平面上的装满沙的总质量为m0的小车中,桌面到小车上沙平面的高度也是h.木块落人车内与沙面接触直到相对静止经过的较短时间为t.试回答下列问题.(所有接触面的摩擦不计,重力加速度g已知,小车高度不计)
(1)滑块经过A点前后对轨道和桌面的压力F1,F2各多大?
(2)小车最终的速度多大?
(3)滑块落人车中直到相对静止的过程中,小车对地面的平均压力多大?
正确答案
(1)滑块沿弧形轨道下滑的过程中
mgh=m
解得 vA=①
经过A点前的瞬间,有F1-mg=m,
故有F1=mg+2mg,②
经过A点后,滑块沿桌面匀速直线运动,故经过A点瞬间F2=mg.③
(2)滑块离开桌面做平抛运动,水平方向分速度vx=vA=
滑块与小车水平方向动量守恒,mvx=(m0+m)v,④
则小车最终的速度为v==
.⑤
(3),滑块落人车中直到相对静止的过程中,取竖直向上方向为正方向,由动量定理得
(F-mg)t=0-(-mvy)=m,⑥
由平抛运动规律得 h=gt2,则t=
,
落人车内时,竖直方向分速度 vy=gt=,⑦
故得 F=mg+,
则小车对地压力是 m0g+mg+
答:
(1)滑块经过A点前后对轨道和桌面的压力F1,F2各是mg+2mg和mg.
(2)小车最终的速度是.
(3)滑块落人车中直到相对静止的过程中,小车对地面的平均压力是m0g+mg+.
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