- 用牛顿运动定律解决问题(一)
- 共673题
如图所示,一儿童玩具静止在水平地面上,一个幼儿用与水平面成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来。(取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6)
(1)玩具在松手之前的加速度?
(2)全过程玩具的最大速度是多大?
(3)松开手后玩具还能滑行多远?
正确答案
解:(1)2.4m/s2
(2)由牛顿第二定律得:F·cos53°-μ(mg-F·sin53°)=ma ①
根据运动学公式知x=at2 ②
vm=at ③
由①②③解得μ=0.67,vm=4.8m/s
(3)松手后玩具滑行的加速度a1=μg=6.7m/s2
滑行距离x==1.7m
如图所示为仓库中常用的皮带传输装置示意图,它由两台皮带传送机组成,一台水平传送,A 、B 两端相距3m ,另一台倾斜,传送带与地面的倾角θ=37o ,C 、D 两端相距4.45m ,B 、C 相距很近。水平部分 AB 以5m/s的速率顺时针转动。将质量为10kg的一袋大米放在A 端,到达B端后,速度大小不变地传到倾斜的CD 部分,米袋与传送带间的动摩擦因数均为0.5 。试求:
(1)若CD部分传送带不运转,求米袋沿传送带所能上升的最大距离。
(2)若要米袋能被送到D端,求CD部分顺时针运转的速度应满足的条件。
正确答案
解:(1)米袋在 AB 上加速时的加速度ao=μmg/m =μg = 0.5×10 = 5 m/s2米袋的速度达到vo=5 m/s 时,
滑行的距离so = vo2/2ao= 52/2×5 = 2.5 m < dAB=3m
因此米袋在到达B点之前就有了与传送带相同的速度。
设米袋在CD上运动的加速度大小为a,
由牛顿第二定律,有:mg sinθ + μmg cos θ = ma
代入数据解得a=10m/s2
所以能滑上的最大距离s=vo2/2a =52/2×10 = 1.25 m
(2)设CD部分运转速度为v1时米袋恰能到达D点(即米袋到达D 点时速度恰好为零),
则米袋速度减为v1之前的加速度为a1= - g(sinθ + μcos θ)= -10m/s2 米袋速度小于v1至减为零前的加速度为a2= - g(sinθ - μcos θ)= - 2m/s2由 [(v12 - vo2)/2a1 ] + [(0 - v12)/2a2] = 4.45 m
解得v1= 4 m/s,即要把米袋送到D 点,CD 部分的速度vCD ≥ v1= 4m/s
在海滨游乐场有一种滑沙的娱乐活动。如图所示,人坐在滑板上从斜坡的高处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,斜坡滑道与水平滑道间是平滑连接的,滑板与两滑道间的动摩擦因数均为μ=0.5,不计空气阻力,重力加速度g=10 m/s2,斜坡倾角θ=37°。
(1)若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;
(2)若由于受到场地的限制,A点到C点的水平距离为s=50 m,为确保人身安全,假如你是设计师,你认为在设计斜坡滑道时,对高度h应有怎样的要求?
正确答案
解:(1)在斜坡上下滑时,人与滑板的受力情况如图所示
由牛顿第二定律得
另外有
由以上各式联立解得m/s2
(2)设斜坡倾角为θ,斜坡的最大高度为h,滑至底端的速度为υ,则
沿BC滑行的加速度为
沿BC滑行的距离为
为确保安全,应有
联立解得h≤25m,斜坡的高度不应超过25m
如图所示,一质量为M=5.0kg的平板车静止在光滑水平地面上,平板车的上表面距离地面高为h,其右侧足够远处有一障碍物A,另一质量为m=2.0kg可视为质点的滑块,以v0=8m/s的初速度从左端滑上平板车,同时对平板车施加一水平向右、大小为5N的恒力F,当滑块运动到平板车的最右端时,二者恰好相对静止,此时撤去恒力F,当平板车碰到障碍物A时立即停止运动,滑块水平飞离平板车后,恰能无碰撞地沿圆弧切线从B点切入光滑竖直圆弧轨道,并沿轨道下滑,已知滑块与平板车间的动摩擦因数μ=0.5,圆弧半径为R,圆弧所对的圆心角=
,取g=10m/s2,sin53=0.8,cos53=0.6,求:
(1)平板车的长度;
(2)障碍物A与圆弧左端B的水平距离。
正确答案
解:(1)对滑块,由牛顿第二定律得
对平板车,由牛顿第二定律得m/s2
设经过时间,滑块与平板车相对静止,共同速度为
,则
解得s,
滑块与平板车在时间内通过的位移分别为
,
则平板车的长度为m
(2)设滑块从平板车上滑出后做平抛运动的时间为,因滑块恰能无碰撞地沿圆弧切线从
点切入光滑竖直圆弧轨道,对
处速度进行分解可知:
又m/s
得m/s
由公式,
解得m
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)若上顶板传感器的示数为零(铁块没有离开上板),箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的?
正确答案
解:(1)分析铁块受力,F1、F2大小与上下传感器示数相等,由牛顿第二定律得:
mg+F1-F2=ma ①
代入数据,F1=6.0N,F2=10.0N,a=2.0m/s2
解得:m=0.5㎏
若F1=F2/2,因弹簧长度没有变化
所以,F2=10.0N,F1=5.0N
代入①式,解得此时的加速度a=0
箱向上或向下做匀速运动
(2)若F1=0而F2=10.0N不变
将数据代入①式,解得:a=-10.0m/s2 箱向上做匀加速或向下做匀减速运动,加速度大小均为10.0m/s2
如图甲所示,质量分别为m1=1kg和m2=2kg的A、B两物块并排放在光滑水平面上,若对A、B分别施加大小随时间变化的水平外力F1和F2,其中F1=(9-2t)N,F2=(3+2t)N,请回答下列问题:
(1)A、B两物块在未分离前的加速度是多大?
(2)经多长时间两物块开始分离?
(3)在图乙的坐标系中画出两物块的加速度a1和a2随时间变化的图像。
(4)速度的定义为v=Δx/Δt,“v-t”图像下的“面积”在数值上等于位移Δx;加速度的定义为a=Δv/Δt,则“a-t”图像下的“面积”在数值上应等于什么?
正确答案
解析:(1)对A、B整体,由牛顿第二定律: F1+F2=(m1+m2)a①
故a== 4m/s2②
(2)当A、B间的弹力为0时,A、B分离,分离时: =
③
即④
可求出t=2.5s⑤
(3)由(1)问知,A、B分离之前(2.5s之前),A、B加速度相同;
分离后,对A:a1==
m/s2=(
)m/s2,图像如图所示
对B:a2==
m/s2=(1.5 + t)m/s2,图像如图所示
(4)面积是速度的变化量Δv。
质量为m的物体,放在水平面上,它们之间的动摩擦因数μ,现对物体施F的作用力,方向与水平成θ角斜向上,如图所示,物体由静止开始在水平面运动t秒后撤去力F,物体经过一段时间停止。求:
(1)物体开始运动的加速度?
(2)物体的最大速度?
(3)物体总的位移?
正确答案
解:(1)由牛顿定律:,
,
解得:
(2)最大速度:=
(3)物体的总位移:
质量m=10kg的物体在方向平行于斜面、大小为F=120N的拉力作用下,从固定粗糙斜面的底端由静止开始沿斜面向上运动,拉力F作用t1=2s后撤去。已知斜面与水平面的夹角θ=37°,如图所示。斜面足够长,物体与斜面间的动摩擦因数μ=0.25 ,取重力加速度g=10m/s2。求:
(1)在拉力F作用下,物体的加速度大小a1;
(2)撤去拉力F后,物体沿斜面向上滑行的时间t2;
(3)自静止开始到上滑至速度为零时,物体通过的总位移大小S总。(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
(1)4m/s2(2)1s
(3)12m
如图所示,质量M=1.0kg的长木板静止在光滑水平面上,在长木板的右端放一质量m=1.0kg的小滑块(可视为质点),小滑块与长木板之间的动摩擦因数μ=0.20。现用水平恒力F=6.0N向右拉长木板,使小滑块与长木板发生相对滑动,经过t=1.0s撤去力F。小滑块在运动过程中始终没有从长木板上掉下。求:
(1)撤去力F时小滑块和长木板的速度各是多大?
(2)小滑块相对长木板静止时,小滑块相对地面运动的总位移。
正确答案
解:(1)对长木板施加恒力F的时间内,小滑块与长木板间相对滑动,小滑块和长木板在水平方向的受力情况如图所示
小滑块所受摩擦力f=μmg
设小滑块的加速度为a1,根据牛顿第二定律f=ma1
解得a1=2.0 m/s2
长木板受的摩擦力f ′=f=μmg
设长木板的加速度为a2,根据牛顿第二定律F-f ′=Ma2
解得a2= 4.0 m/s2
经过时间t=1.0 s,小滑块的速度v1=a1t=2.0 m/s
长木板的速度v2=a2t=4.0 m/s
(2)撤去力F后的一段时间内,小滑块的速度小于长木板的速度,小滑块仍以加速度a1做匀加速直线运动,长木板做匀减速直线运动。设长木板运动的加速度为a3,此时长木板水平方向受力情况如图所示
根据牛顿第二定律f ′=Ma3
解得a3=2.0 m/s2
设再经过时间t1后,小滑块与长木板的速度相等,此时小滑块相对长木板静止
即v1+a1t1=v2-a3t1
解得t1=0.50 s
如图所示,在对长木板施加力F的时间内,小滑块相对地面运动的位移是s1,从撤去F到二者速度相等的过程,小滑块相对地面的位移是s2
所以小滑块相对长木板静止时,小滑块相对地面运动的总位移为
s块=s1+s2==2.25 m
装有装饰材料的木箱A质量为50kg,放在水平地面上,木箱与地面间的动摩擦因数为。要将木箱运送到90m远处的施工现场,如果用大小为450N,方向与水平方向成370夹角斜向上的拉力拉木箱A,使它从静止开始运动,能够到达90m远处的施工现场,拉力至少做多少功?(已知sin370=0.6,cos370=0.8. 取g=10m/s2,设木箱与地面间的动摩擦因数处处相同,结果保留2位有效数字)
正确答案
解:设木箱在拉力F作用下加速运动的加速度为,此时受到地面的摩擦阻力为f ,支持力为
,
则有:
联立以上三式,代入数据可解得:m/s2。
要想拉力做最少的功而能达到目的,即在撤去拉力后让木箱自行减速滑行到90m远处停下,
设此过程中木箱的加速度大小为,则有:
m/s2 设木箱加速运动的位移为
,减速运动的位移为
,整个运动过程中的最大速度为v,
则有:
又因为:m
代入数据可解得:
故拉力至少做的功为:J。
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