- 曲线运动
- 共20011题
如图所示的“S” 形玩具轨道,该轨道是用内壁光滑的薄壁细圆管弯成,放置在竖直平面内,轨道弯曲部分是由两个半径相等的半圆对接而成,圆半径比细管内径大得多,轨道底端与水平地面相切,轨道在水平方向不可移动。弹射装置将一个小球(可视为质点)从a点水平弹射向b点并进入轨道,经过轨道后从最高点d水平抛出(抛出后小球不会再碰轨道),已知小球与地面ab段间的动摩擦因数μ=0.2,不计其他机械能损失,ab段长L=1.25m,圆的半径R=0.1 m,小球质量m=0.01 kg,轨道质量为M=0.26 kg,g=10 m/s2,求:
(1)若v0=5 m/s,小球从最高点d抛出后的水平射程;
(2)若v0=5 m/s,小球经过轨道的最高点d时,管道对小球作用力的大小和方向;
(3)设小球进入轨道之前,轨道对地面的压力大小等于轨道自身的重力,当v0至少为多少时,小球经过两半圆的对接处c点时,轨道对地面的压力为零。
正确答案
解:(1)设小球到达d点处速度为v,由动能定理,得
-μmgL-mg·4R= ①
小球由d点做平抛运动,有
4R= ②
s=vt ③
联立①②③并代入数值,解得小球从最高点d抛出后的水平射程:m≈0.98 m ④
(2)当小球通过d点时,由牛顿第二定律得 ⑤
代入数值解得管道对小球作用力FN=1.1 N,方向竖直向下 ⑥
(3)设小球到达c点处速度为vc,由动能定理,得
-μmgL-mg·2R= ⑦
当小球通过c点时,由牛顿第二定律得 ⑧
要使轨道对地面的压力为零,则有F'N=Mg ⑨
联立①②③并代入数值,解得小球的最小速度:v0=6 m/s ⑩
水上滑梯可简化成如图所示的模型,斜槽AB和水平槽BC平滑连接,斜槽AB的竖直高度H=6.0m,倾角θ=37°。水平槽BC长d=2.0m,BC面与水面的距离h=0.80m,人与AB、BC间的动摩擦因数均为μ=0.10。取重力加速度g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6。一小朋友从滑梯顶端A点无初速地自由滑下,求:
(1)小朋友沿斜槽AB下滑时加速度的大小a;
(2)小朋友滑到C点时速度的大小υ;
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友在水平方向位移的大小x。
正确答案
解:(1)小朋友沿AB下滑时,受力情况如图所示,根据牛顿第二定律得:
又
得小朋友沿AB下滑时加速度的大小a=gsinθ-μgcosθ=5.2 m/s2
(2)小朋友从A滑到C的过程中,根据动能定理得:
得小朋友滑到C点时速度的大小v=10 m/s
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友做平抛运动,设此过程经历的时间为t
小孩在水平方向的位移x=vt
解得x=4.0m
如图,一质量为M的物块静止在桌面边缘,桌面离水平地面的高度为h。一质量为m的子弹以水平速度v0射人物块后,以水平速度v0/2射出。重力加速度为g。求:
(1)此过程中系统损失的机械能;
(2)此后物块落地点离桌面边缘的水平距离。
正确答案
解:(1)设子弹穿过物块后物块的速度为v,由动量守恒得
①
解得②
系统的机械能损失为③
由②③式得 ④
(2)设物块下落到地面所需时间为t,落地点距桌面边缘的水平距离为s,则
⑤
s=vt ⑥
由②⑤⑥式得
如图所示,斜面倾角为45°,从斜面上方A点处由静止释放一个质量为m的弹性小球,在B点处和斜面碰撞,碰撞后速度大小不变,方向变为水平,经过一段时间在C点再次与斜面碰撞。已知A、B两点的高度差为h,重力加速度为g,不考虑空气阻力。求:
(1)小球在AB段运动过程中重力做功的最打功率P;
(2)BC间的距离。
正确答案
解:(1)从A到B,由动能定理得
得
故重力的最大功率
(2)从B到C,由平抛运动的知识得
x=vt
解得
又
故x=4h
在高为20m的阳台上,用20m/s的初速度水平抛出一质量为1kg的物体,不计空气阻力,g取10m/s2。则物体在空中运动的时间是___________S,落地时的速度大小____________m/s。重力的瞬时功率为_______W,重力的平均功率为___________W。
正确答案
2;20;200;100
一根内壁光滑的圆钢管被固定在竖直平面内,如图所示,现用弹簧枪将一个钢球正对着管口A竖直向下射入管内.欲使小钢球恰能到达最高点B,与到达点B后平抛出去恰能落回A点,在这两种情况下,弹簧枪的弹性势能之比为多少?
正确答案
4 : 5
滑板运动是一项陆地上的“冲浪运动”,具有很强的观赏性。如图所示,abcdef为同一竖直平面内的滑行轨道,其中bc段水平,ab、de和ef段均为倾角37°的斜直轨道,轨道间均用小圆弧平滑相连(小圆弧的长度可忽略)。已知
m,
m,
m,
m,设滑板与轨道之间的摩擦力为它们间压力的k倍(k=0.25),运动员连同滑板的总质量m=60 kg。运动员从a点由静止开始下滑从c点水平飞出,在de上着陆后,经短暂的缓冲动作后保留沿斜面方向的分速度下滑,接着在def轨道上来回滑行,除缓冲外运动员连同滑板可视为质点,忽略空气阻力,取=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。求:
(1)运动员从c点水平飞出时的速度大小;
(2)运动员在de上着陆时,沿斜面方向的分速度大小;
(3)设运动员第一次和第四次滑上ef轨道时上升的最大高度分别为和
,则
等于多少?
正确答案
解:(1)设运动员从a点到c点的过程中克服阻力做功Wf,根据动能定理
①
②
③
由①②③式并代入数据,解得 ④
(2)运动员从c点水平飞出到落到de轨道上的过程中做平抛运动,设从c点到着陆点经过的时间为t
水平位移 ⑤
竖直位移 ⑥
由几何关系 ⑦
水平方向分速度 ⑧
竖直方向分速度 ⑨
⑩
由④⑤⑥⑦⑧⑨⑩式并代入数据,解得
(3)设运动员第一次沿ed斜面向上滑的最大高度为,根据功能关系
解得
同理可得,运动员第二次沿ef斜面向上滑的最大高度
以此类推,运动员第四次沿ef斜面向上滑的最大高度
解得
为了研究过山车的原理,某兴趣小组提出了下列设想:取一个与水平方向夹角为37°、长为l=2.0m的粗糙倾斜轨道AB,通过水平轨道BC与竖直圆轨道相连,出口为水平轨道DE,整个轨道除AB段以外都是光滑的。其AB与BC轨道以微小圆弧相接,如图所示。一个小物块以初速度v0=4.0m/s从某一高处水平抛出,到A点时速度方向恰好沿AB方向,并沿倾斜轨道滑下。已知物块与倾斜轨道的动摩擦因数μ=0.50。(g=10m/s2、sin37°=0.60、cos37°=0.80)
(1)求小物块到达A点时速度。
(2)要使小物块不离开轨道,并从轨道DE滑出,求竖直圆弧轨道的半径应该满足什么条件?
(3)为了让小物块不离开轨道,并且能够滑回倾斜轨道AB,则竖直圆轨道的半径应该满足什么条件?
正确答案
解:(1)小物块做平抛运动,经时间t到达A处时,令下落的高度为h,水平分速度v0,竖直速度为vy,小物块恰好沿斜面AB方向滑下,则tan37°=vy/v0得vy=3 m/s,所以小物块到A点的速度为5m/s
(2)物体落在斜面上后,受到斜面的摩擦力Ff=μFN=μmgcos37°
设物块进入圆轨道到达最高点时有最小速度v1,此时物块受到的重力恰好提供向心力,令此时的半径为 R0,则mg=mv12/R0
物块从抛出到圆轨道最高点的过程中,根据动能定理有:
mg(h+lsin37°-2R0)-μmgcos37°·l = mv12/2-mv02/2
联立上式,解得R0=0.66m
若物块从水平轨道DE滑出,圆弧轨道的半径满足R1≤0.66m
(3)为了让小物块不离开轨道,并且能够滑回倾斜轨道AB,则物块上升的高度须小于或于某个值R,则mg(h+lsin37°)/μmgcos37°·l-mgR=0-mv02/2
解得R=1.65m
物块能够滑回倾斜轨道AB,则R2≥1.65m
某兴趣小组设计了如图所示的玩具轨道,其中“2008”四个等高数字用内壁光滑的薄壁细圆管弯成,固定在竖直平面内(所有数字均由圆或半圆组成,圆半径比细管的内径大得多),底端与水平地面相切。弹射装置将一个小物体(可视为质点)以Va=5m/s的水平初速度由a点弹出,从b点进入轨道,依次经过“8002”后从p点水平抛出。小物体与地面ab段间的动摩擦因数μ=0.3,不计其它机械能损失。已知ab段长L=1.5m,数字“0”的半径R=0.2m,小物体质量m=0.01kg,g=10m/s2。求:
(1)小物体从p点抛出后的水平射程。
(2)小物体经过数字“0”的最高点时管道对小物体作用力的大小和方向。
正确答案
解:(1)设小物体运动到p点时的速度大小为v,对小物体由a运动到p过程应用动能定理得
①
小物体自P点做平抛运动,设运动时间为t,水平射程为s,则
②,s=vt ③
联立①②③式,代入数据解得s=0.8m ④
(2)设在数字“0”的最高点时管道对小物体的作用力大小为F,取竖直向下为正方向
⑤
联立①⑤式,代入数据解得F=0.3N ⑥,方向竖直向下
为了研究过山车的原理,物理小组提出了下列的设想:取一个与水平方向夹角为37°、长为L=2.0 m的粗糙的倾斜轨道AB,通过水平轨道BC与竖直圆轨道相连,出口为水平轨道DE,整个轨道除AB段以外都是光滑的,其中AB与BC轨道以微小圆弧相接,如图所示。一个小物块以初速度v0=4.0 m/s,从某一高处水平抛出,到A点时速度方向恰沿AB方向,并沿倾斜轨道滑下。已知物块与倾斜轨道的动摩擦因数μ=0.50。(g取10 m/s2,sin37°=0.60,cos37°=0.80)
(1)要使小物块不离开轨道,并从水平轨道DE滑出,求竖直圆弧轨道的半径应该满足什么条件?
(2)a.为了让小物块不离开轨道,并且能够滑回倾斜轨道AB,则竖直圆轨道的半径应该满足什么条件?
b.按照“a”的要求,小物块进入轨道后可以有多少次通过圆轨道上距水平轨道高为0.01 m的某一点。
正确答案
解:(1)小物块做平抛运动,经时间t到达A处时,令下落的高度为h,水平分速度为vx,竖直分速度为vy
物体落在斜面上后,受到斜面的摩擦力f=μFN=μmgcos37°
设物块进入圆轨道到最高点时有最小速度v1,此时物块受到的重力恰好提供向心力,令此时半径为R0物块从抛出到圆轨道摄高点的过程中
联立上式,解得:R0=0.66 m
若物块从水平轨道DE滑出,圆弧轨道的半径有:R1≤0.66 m
(2)a.为了让小物块不离开轨道,并且能够滑回倾斜轨道AB,则物块上升的高度须小于或等于R'0
解得R'0=1.65 m
物块能够滑回倾斜轨道AB,则R2≥1.65 m
b.物块冲上圆轨道H1=1.65 m高度时速度变为0,然后返回倾斜轨道h1高处再滑下,然后再次进入圆轨道达到的高度为H2。有
得
之后物块在竖直圆轨道和倾斜轨道之间往返运动,同理:n次上升的高度(n>0)为一等比数列
当n=5时,上升的最大高度小于0.01 m,则物块共有8次通过距水平轨道高为0.01 m的某一点
水上滑梯可简化成如图所示的模型,斜槽AB和水平槽BC平滑连接,斜槽AB的竖直高度H=60 m,倾角θ=37°。水平槽BC长d=2.0 m,BC 面与水面的距离h=0.80 m,人与AB、BC间的动摩擦因数均为μ=0.10。取重力加速度g=10 m/s2,cos37°=0 8,sin37°=0.6。一小朋友从滑梯顶端A点无初速地自由滑下,求:
(1)小朋友沿斜槽AB下滑时加速度的大小a;
(2)小朋友滑到C点时速度的大小v;
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友在水平方向位移的大小x。
正确答案
解:(1)小朋友沿AB下滑时,受力情况如图所示
根据牛顿第二定律得
又Ff=μFN,FN=mgcosθ
得小朋友滑AB下滑时加速度的大小a=gsinθ-μgcosθ=5.2 m/s2
(2)小朋友从A滑到C的过程中,根据动能定理得
得小朋友滑到C点时速度的人小v=10 m/s
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友做平抛运动,设此过程经历的时间为t,则
小朋友在水平方向的位移x=vt
解得x=4.0 m
某兴趣小组设计了如图所示的玩具轨道,其中“2008”四个等高数字用内壁光滑的薄壁细圆管弯成,固定在竖直平面内(所有数字均由圆或半圆组成,圆半径比细管的内径大得多),底端与水平地面相切。弹射装置将一个小物体(可视为质点)以Va=5m/s的水平初速度由a点弹出,从b点进入轨道,依次经过“8002”后从p点水平抛出。小物体与地面ab段间的动摩擦因数μ=0.3,不计其它机械能损失。已知ab段长L=1.5m,数字“0”的半径R=0.2m,小物体质量m=0.01kg,g=10m/s2。求:
(1)小物体从p点抛出后的水平射程。
(2)小物体经过数字“0”的最高点时管道对小物体作用力的大小和方向。
正确答案
解:(1)设小物体运动到p点时的速度大小为v,对小物体由a运动到p过程应用动能定理得
①
小物体自P点做平抛运动,设运动时间为t,水平射程为s,则
②,s=vt ③
联立①②③式,代入数据解得s=0.8m ④
(2)设在数字“0”的最高点时管道对小物体的作用力大小为F,取竖直向下为正方向
⑤
联立①⑤式,代入数据解得F=0.3N ⑥,方向竖直向下
水上滑梯可简化成如图所示的模型,斜槽AB和水平槽BC平滑连接,斜槽AB的竖直高度H=6.0 m,倾角θ=37°,水平槽BC长d=2.0 m,BC面与水面的距离h=0.80 m,人与AB,BC间的动摩擦因数均为μ=0.10。取重力加速度g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6。一小朋友从滑梯顶端A点无初速地自由滑下,求:
(1)小朋友沿斜槽AB下滑时加速度的大小a;
(2)小朋友滑到C点时速度的大小v;
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友在水平方向位移的大小x。
正确答案
解:(1)小朋友沿AB下滑时,受力情况如图所示
根据牛顿第二定律得
又Ff=μFN,FN=mgcosθ
得小朋友沿AB下滑时加速度的大小a=gsinθ-μgcosθ=5.2 m/s2
(2)小朋友从A滑到C的过程中,根据动能定理得
得小朋友滑到C点时速度的大小v=10 m/s
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友做平抛运动,设此过程经历的时间为t
小孩在水平方向的位移x=vt
解得x=4.0m
如图所示,水平台高h=0.8m,台上A点放有一大小可忽略的滑块,质量m=0.5kg,滑块与台面间的动摩擦因数μ=0.5;现对滑块施加一个斜向上的拉力F=5N,θ=37°,经t1=1s,滑块到达平台上B点时撤去拉力,滑块继续运动,最终落到地面上的D点,x=0.4m。(取sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2)
(1)求滑块在C点离开台面瞬间的速度;
(2)滑块在AB段的加速度大小;
(3)求AC间的距离。
正确答案
解:(1)在CD段,由平抛规律:
,
滑块在C点离开台面瞬间的速度
(2)在AB段,滑块受力如图
滑块的加速度
(3)由运动学规律:
在BC段,由动能定理:
AC间的距离
如图所示,四分之三周长的细圆管的半径R=0.4 m,管口B和圆心O在同一水平面上,D是圆管的最高点,其中半圆周BE段存在摩擦,BC和CE段动摩擦因数相同,ED段光滑;质量m=0.5 kg、直径稍小于圆管内径的小球从距B正上方高H=2.5 m的A处自由下落,从B处进入圆管继续运动直到圆管的最高点D飞出,恰能再次进入圆管。重力加速度g=10 m/s2。求:
(1)小球飞离D点时的速度;
(2)小球在D点时对轨道的压力大小和方向;
(3)小球从B点到D点过程中克服摩擦所做的功。
正确答案
解:(1)小球飞离D点后做平抛运动,有
①
②
由①②得m/s
(2)小球在D点受到重力mg,假设管道对它的作用力竖直向下为FN,由牛顿第二定律可得
解得FN=-2.5N
由牛顿第三定律可知小球对管道的内壁有压力,压力的大小为2.5N,方向竖直向下
(3)设小球从B到D的过程中克服摩擦力做功Wf
在A到D过程中根据动能定理,有
代入计算得Wf=10 J
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