- 曲线运动
- 共20011题
下图是简化后的跳台,滑雪的雪道示意图。整个雪道由倾斜的助滑雪道AB和着陆雪道DE,以及水平的起跳平台CD组成,AB与CD圆滑连接。运动员从助滑雪道AB上由静止开始,在重力作用下,滑到D点水平飞出,不计飞行中空气阻力,经2s在水平方面向飞行了60m,落在着陆雪道DE上。已知从B到点D点运动员的速度大小不变。(g取10m/s2)求
(1)运动员在AB段下滑到B点的速度大小;
(2)若不计阻力,运动员在AB段下滑过程中下降的高度;
(3)若运动员的质量为60kg,在AB段下降的实际高度是50m,此过程中他克服阻力所做的功。
正确答案
解:(1)运动员从D点飞出时的速度
依题意,下滑到助滑雪道末端B点的速度大小是30m/s
(2)在下滑过程中机械能守恒,有
下降的高度
(3)根据能量关系,有
运动员克服阻力做功
如图所示,半径R=0.40 m的光滑半圆 环轨道处于竖直平面内,半圆环与粗糙的水平地面相切于圆环的端点A。一质量m=0.10 kg的小球,以初速度v0=7.0 m/s在水平地面上向左做加速度a=3.0 m/s2的匀减速直线运动,运动4.0 m后,冲上竖直半圆环,最后小球落在C点,求A,C间的距离(取重力加速度g=10 m/s2)。
正确答案
解:匀减速运动过程中,有 ①
恰好做圆周运动时物体在最高点B满足 ②
假设能到达圆环的最高点B,由机械能守恒 ③
联立①③可得vB=3 m/s
因为vB>vB1,所以小球能通过最高点B
小球从B点做平抛运动,有 ④,SAC=vBt ⑤
由④⑤得sAC=1.2 m ⑥
在游乐节目中,选手需要于借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上,小舒和小程观看后对此进行了讨论。如图所示,他们将选手简化为质量m=60kg的质点,选手抓住绳由静止开始摆动,此时绳与竖直方向夹角=53。,绳的悬挂点O距水面的高度为H=3m。(不考虑空气阻力和绳的质量,浮台露出水面的高度不计,水足够深。取重力加速度
,
,
)
(1) 求选手摆到最低点时对绳拉力的大小F;
(2) 若绳长l=2m,选手摆到最高点时松手落入手中。设水对选手的平均浮力,平均阻力,求选手落入水中的深度;
(3)若选手摆到最低点时松手,小舒认为绳越长,在浮台上的落点距岸边越远;小程认为绳越短,落点距岸边越远,请通过推算说明你的观点。
正确答案
解:(1)机械能守恒
圆周运动F′-mg=m
解得 F′=(3-2cosa)mg 人对绳的拉力F=F′
则 F=1080N
(2)动能定理mg(H-lcosa+d)-(f1+f2)d=0
则d=
解得d=1.2m。
(3)选手从最低点开始做平抛运动x=vt
H-l=
联立解得
当时,x有最大值,解得l=1.5m。
因此,两人的看法均不正确。当绳长越接近1.5m时,落点距岸边越远。
如图所示,质量为1kg的摆球从图中的A位置由静止开始摆下,摆角。摆到最低点B时线恰好被拉断。设摆线长l=1.6 m,悬点O到地面的竖直高度为H=6.6 m,不计空气阻力,g=10 m/s2。求:
(1)摆线承受的最大拉力;
(2)落地点D到B点的水平距离。
正确答案
解:(1)从最高点摆至B点的过程中机械能守恒
m/s
由牛顿第二定律得:
解得:N
(2)由平抛运动规律得:
因为手边没有天平,小王同学思考如何利用一已知劲度系数为k的弹簧和长度测量工具来粗测一小球的质量,他从资料上查得弹簧的弹性势能为弹簧形变量)后,设计了如下实验:将弹簧一端固定在水平桌面上,另一端紧靠小球,弹簧原长时小球恰好在桌边,然后压缩弹簧并测得压缩量x,释放弹簧,小球飞出后落在水平地面上,测出桌高h以及落点到桌边沿的水平距离s。
(1)忽略一切阻力,请你推导出小球质量的表达式:______________;
(2)如果桌面摩擦是本次实验误差的主要因素,那么小球质量的测量值将______________(填“偏大”、 “偏小”或“准确”)。
正确答案
(1)
(2)偏大
某校物理兴趣小组决定举行遥控赛车比赛。比赛路径如图所示,赛车从起点A出发,沿水平直线轨道运动L后,由B点进入半径为R的光滑竖直圆轨道,离开竖直圆轨道后继续在光滑平直轨道上运动到C点,并能越过壕沟。已知赛车质量m=0.1kg,通电后以额定功率P=1.5w工作,进入竖直轨道前受到阻力恒为0.3N,随后在运动中受到的阻力均可不记。图中L=10.00m,R=0.32m,h=1.25m,S=1.50m。问:要使赛车完成比赛,电动机至少工作多长时间?(取g=10m/s2)
正确答案
解:设赛车越过壕沟需要的最小速度为v1,由平抛运动的规律
解得
设赛车恰好越过圆轨道,对应圆轨道最高点的速度为v2,最低点的速度为v3,由牛顿第二定律及机械能守恒定律
解得m/s
通过分析比较,赛车要完成比赛,在进入圆轨道前的速度最小应该是m/s
设电动机工作时间至少为t,根据功能原理
由此可得t=2.53s
如图所示,静止放在水平桌面上的纸带,其上有一质量为=0.1 kg的铁块,它与纸带右端的距离为=0.5 m,铁块与纸带间、纸带与桌面间动摩擦因数均为μ=0.1。现用力水平向左将纸带从铁块下抽出,当纸带全部抽出时铁块恰好到达桌面边缘,铁块抛出后落地点离抛出点的水平距离为=0.8 m.已知=10 m/s2,桌面高度为=0.8 m,不计纸带质量,不计铁块大小,铁块不滚动.求:
(1)铁块抛出时速度大小;
(2)纸带从铁块下抽出所用时间1;
(3)纸带抽出过程产生的内能
正确答案
解:(1)水平方向:=①
竖直方向:=2 ②
由①②联立解得:=2 m/s
(2)设铁块的加速度为1,由牛顿第二定律,得μ=1 ③
纸带抽出时,铁块的速度=11 ④
③④联立解得1=2 s
(3)铁块的位移1=112 ⑤
设纸带的位移为2;由题意知,2-1=⑥
由功能关系可得=μ2+μ(2-1) ⑦
由③④⑤⑥⑦联立解得=0.3 J
如图所示,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,自然状态时其右端位于B点。水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP,其形状为半径R=0.8m的圆环剪去了左上角135°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离也是R。用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点。用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点释放,物块过B点后其位移与时间的关系为s=6t-2t2,物块飞离桌边缘D点后由P点沿切线落入圆轨道。g=10m/s2,求:
(1)DP间的水平距离;
(2)判断m2能否沿圆轨道到达M点;
(3)释放后m2运动过程中克服摩擦力做的功。
正确答案
解:(1)
(2)若物块能过最高点,其在M点的速度至少为
设物块在P点的速度至少为
在P点时物块的速度
因,故物块不能到最高点。
(3)设弹簧长为AC时的弹性势能为EP,
物块与桌面间的动摩擦因数为,
释放时,
释放时,
且,可得:
,
在桌面上运动过程中克服摩擦力做功为Wf, 则
可得。
有两个完全相同的小滑块A和B,A沿光滑水平面以速度v0与静止在平面边缘O点的B发生正碰,碰撞中无机械能损失。碰后B运动的轨迹为OD曲线,如图所示。
(1)已知滑块质量为m,碰撞时间为,求碰撞过程中A对B平均冲力的大小。
(2)为了研究物体从光滑抛物线轨道顶端无初速下滑的运动,特制做一个与B平抛轨道完全相同的光滑轨道,并将该轨道固定在与OD曲线重合的位置,让A沿该轨道无初速下滑(经分析,A下滑过程中不会脱离轨道)。
a.分析A沿轨道下滑到任意一点的动量pA与B平抛经过该点的动量pB的大小关系;
b.在OD曲线上有一M点,O和M两点连线与竖直方向的夹角为45°。求A通过M点时的水平分速度和竖直分速度。
正确答案
解:(1)滑动A与B正碰,满足
mvA-mVB=mv0 ①
②
由①②,解得vA=0,vB=v0 根据动量定理,滑块B满足F·t=mv0
解得
(2)a.设任意点到O点竖直高度差为d。A、B由O点分别运动至该点过程中,只有重力做功,所以机械能守恒。选该任意点为势能零点,有
EA=mgd,EB= mgd+
由于p=,有
即PA<PB
A下滑到任意一点的动量总和是小于B平抛经过该点的动量
b.以O为原点,建立直角坐标系xOy,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向下,则
对B有x=v0t,y=gt2
B的轨迹方程y=
在M点x=y,所以y= ③
因为A、B的运动轨迹均为OD曲线,故在任意一点,两者速度方向相同。设B水平和竖直分速度大小分别为和
,速率为vB;A水平和竖直分速度大小分别为
和
,速率为vA,则
④
B做平抛运动,故 ⑤
对A由机械能守恒得vA= ⑥
由④⑤⑥得
将③代入得
如图所示,abc是光滑的轨道,其中ab是水平的,bc是位于竖直平面内与ab相切的半圆,半径R=0.40 m。质量m=0.30 kg的小球A静止在水平轨道上,另一质量M=0.50 kg的小球B以v0=4 m/s的初速度与小球A发生碰撞。已知碰后小球A经过半圆的最高点c后落到轨道上距b点为L=1.2 m处,重力加速度g=10 m/s2。求:
(1)当A球经过半圆的最高点c时的速度大小;
(2)当A球经过半圆的最低点b时它对轨道的作用力;
(3)判断A,B碰撞是否是完全弹性碰撞。
正确答案
解:(1)设碰后小球A在半圆的最高点c时速度为vA',球A随后离开c点做平抛运动,有
,L=vA't
解得vA'=3 m/s
(2)设碰后小球A在半圆的最低点b时速度为vA,小球A从b点到c点由机械能守恒定律得
解得vA=5 m/s
在b点时,对A由牛顿运动定律可得:
联立解得FN=21.75 N
根据牛顿第三定律,球对轨道的作用力FN'大小为21.75 N,方向竖直向下
(3)对碰撞过程,由动量守恒定律得Mv0=MvB+mvA解得vB=1 m/s
由功能关系得,碰撞中产生的内能
解得E=0
所以,球A,B的碰撞为完全弹性碰撞
有两个完全相同的小滑块A和B,A沿光滑水平面以速度v0与静止在平面边缘O点的B发生正碰,碰撞中无机械能损失。碰后B运动的轨迹为OD曲线,如图所示。
(1)已知滑块质量为m,碰撞时间为,求碰撞过程中A对B平均冲力的大小。
(2)为了研究物体从光滑抛物线轨道顶端无初速下滑的运动,特制做一个与B平抛轨道完全相同的光滑轨道,并将该轨道固定在与OD曲线重合的位置,让A沿该轨道无初速下滑(经分析,A下滑过程中不会脱离轨道)。
a.分析A沿轨道下滑到任意一点的动量pA与B平抛经过该点的动量pB的大小关系;
b.在OD曲线上有一M点,O和M两点连线与竖直方向的夹角为45°。求A通过M点时的水平分速度和竖直分速度。
正确答案
解:(1)滑动A与B正碰,满足mvA-mVB=mv0 ①
②
由①②,解得vA=0,vB=v0根据动量定理,滑块B满足F·t=mv0
解得
(2)a.设任意点到O点竖直高度差为d,B由O点分别运动至该点过程中,只有重力做功,所以机械能守恒。选该任意点为势能零点,有EA=mgd,EB= mgd+
由于p=,有
,即PA<PB
A下滑到任意一点的动量总和是小于B平抛经过该点的动量
b.以O为原点,建立直角坐标系xOy,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向下,则
对B有x=v0t,y=gt2
B的轨迹方程y=
在M点x=y,所以y= ③
因为A、B的运动轨迹均为OD曲线,故在任意一点,两者速度方向相同。设B水平和竖直分速度大小分别为和
,速率为vB;A水平和竖直分速度大小分别为
和
,速率为vA,则
④
B做平抛运动,故 ⑤
对A由机械能守恒得vA= ⑥
由④⑤⑥得
将③代入得
如图所示,半径R=0.5 m的光滑半圆轨道竖直固定在高h=0.8 m的光滑水平台上,与平台平滑连接,平台长L=1.2 m。可视为质点的两物块m1、m2紧靠在一起静止在平台的最右端D点,它们之间有烈性炸药。今点燃炸药,假设炸药释放出来的能量全部转化为物块m1、m2的机械能,使它们具有水平方向的速度,m1通过平台到达半圆轨道的最高点A时,轨道对它的压力大小是N=44 N,水平抛出落在水平地面上的P点,m2也落在P点,已知m1=2 kg,g取10 m/s2。求炸药释放出来的能量是多少?
正确答案
解:设m1在A点时的速度为v,由牛顿第二定律得mg+N=
有v=4 m/s
从A点到P点运动的时间为t1
h+2R=,有t1=0.6 s
设运动的水平距离为s,则s+L=vt1故s=1.2 m
设刚爆炸后,m1的速度为v1,由机械能守恒定律得
=m1g×2R+
m1v2,解得v1=6 m/s
设平抛时的速度为v2,平抛运动的时间为t2
因h=得t2=4 s
v2==3 m/s
对m1、m2爆炸过程运用动量守恒定律得0=m1v1-m2v2所以m2==4 kg
炸药释放出来的能量E==54 J
如图所示,一对杂技演员(都视为质点)乘秋千(秋千绳处于水平位置)从A点由静止出发绕O点下摆,当摆到最低点B时,女演员在极短时间内将男演员沿水平方向推出,然后自己刚好能回到高处A。求男演员落地点C与O点的水平距离x。已知男演员质量m1和女演员质量m2之比,秋千的质量不计,秋千的摆长为R,C点比O点低5R。
正确答案
解:设分离前男女演员在秋千最低点B的速度为v0,由机械能守恒定律有
设刚分离时男演员速度的大小为v1,方向与v0相同;女演员速度的大小为v2,方向与v0相反,由动量守恒定律有
(m1+m2)v0=m1v1-m2v2分离后,男演员做平抛运动,设男演员从被推出到落在C点所需的时间为t,根据题给条件,由运动学规律得4R=
根据题给条件,女演员刚好回到以A点,由机械能守恒定律得
已知m1=2m2,由以上各式可得x=8R
如图所示,圆管构成的半圆形轨道竖直固定在水平地面上,轨道半径为R,MN为直径且与水平面垂直,直径略小于圆管内径的小球A以某一速度冲进轨道,到达平圆轨道最高点M时与静止于该处的质量与A相同的小球B发生碰撞,碰后两球粘在一起飞出轨道,落地点距N为2R。重力加速度为g,忽略圆管内径,空气阻力及各处摩擦均不计。求:
(1)粘合后的两球从飞出轨道到落地的时间t;
(2)小球A冲进轨道时速度v的大小。
正确答案
解:(1)粘合后的两球飞出轨道后做平抛运动,竖直方向分运动为自由落体运动,有:
①
解得: ②
(2)设球A的质量为m,碰撞前速度大小为v1,把球A冲进轨道最低点时的重力势能定为0,由机械能守恒定律知: ③
设碰撞后粘合在一起的两球速度大小为V2,由动量守恒定律知:mv1=2mv2 ④
飞出轨道后做平抛运动,水平方向分运动为匀速直线运动,有:2R=v2t ⑤
综合②③④⑤式得: ⑥
如图所示,圆管构成的半圆形轨道竖直固定在水平地面上,轨道半径为R,MN为直径且与水平面垂直,直径略小于圆管内径的小球A以某一速度冲进轨道,到达半圆轨道最高点M时与静止于该处的质量与A相同的小球B发生碰撞,碰后两球粘在一起飞出轨道,落地点距N 为2R,重力加速度为g,忽略圆管内径,空气阻力及各处摩擦均不计,求:
(1) 粘合后的两球从飞出轨道到落地的时间t;
(2) 小球A冲进轨道时速度v的大小。
正确答案
解:(1)粘合后的小球A 和小球B ,飞出轨道后做平抛运动,竖直方向分运动为自由落体运动,有 ①
解得: ②
(2)设球A的质量为m,碰撞前速度大小为,把求A冲进轨道最点处的重力势能定为0,由机械能守恒定律知:
③
设碰撞后粘在一起的两球的速度为,由动量守恒定律知:
④
飞出轨道后做平抛运动,水平方向分运动为匀速直线运动,有 ⑤
联立②③④⑤几式可得: ⑥
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