• 用牛顿运动定律解决问题(一)
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题型:简答题
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简答题

如图所示,A为位于一定高度处的质量为m=1×10-5 kg带电荷量为q=+1×10-6 C的微粒,B为位于水平地面上的质量为M的用特殊材料制成的长方形空心盒子,盒子与地面间的动摩擦因数为μ=0.2,盒内存在着竖直向上的匀强电场,场强大小E=1×103 N/C,盒外存在着竖直向下的匀强电场,场强大小也为E=1×103 N/C,盒的上表面开有一系列略大于微粒的小孔,孔间距满足一定的关系,使得微粒进出盒子的过程中始终不与盒子接触。当微粒A以1 m/s的速度从孔1进入盒子的瞬间,盒子B恰以v1=0.4 m/s的速度向右滑行。设盒子足够长,取重力加速度g为10m/s2,不计微粒的重力,微粒恰能顺次从各个小孔进出盒子。试求:

(1)从微粒第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中,盒子通过的总路程;

(2)微粒A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历的时问;

(3)盒子上至少要开多少个小孔,才能保证微粒始终不与盒子接触。

正确答案

解:(1)微粒在盒子内、外运动时,盒了的加速度

盒子全过程做匀减速直线运动,所以通过的总路程是

(2)A在盒子内运动时,qE= ma,方向以向上为正方向

由以上得

A在盒子外运动时,qE=ma

,方向向下

A在盒子内运动的时间

同理,A在盒子外运动的时间t2=2×10-2 s

A从第一次进入盒子到第二次进入盒子的时间t=t1+t2=4×10-2 s

(3)微粒运动一个周期盒子减少的速度为△v=a'(t1+t2)=2×(0.02+0.02)=0.08 m/s

从小球第一次进入盒子到盒子停下,微粒球运动的周期数为

故要保证小球始终不与盒子相碰,盒子上的小孔数至少为2n+1个,即11个

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简答题

【选修3-5选做题】

如图所示,在高为=5m的平台右边缘上,放着一个质量=3kg的铁块,现有一质量为=1kg的钢球以0=10m/s的水平速度与铁块在极短的时间内发生正碰被反弹,落地点距离平台右边缘的水平距离为=2m.已知铁块与平台之间的动摩擦因数为0.5,求铁块在平台上滑行的距离(不计空气阻力,铁块和钢球都看成质点).

正确答案

解:设钢球反弹后的速度大小为1,铁块的速度大小为,碰撞时间极短系统动量

  ①  

钢球做平抛运动   ②        

    ③

由②③①解得t=1s,v1=2m/s,v=4m/s

铁块做匀减速直线运动,加速度大小=5m/s2   ④

最终速度为0,则其运行时间=0.8s   ⑤

所以铁块在平台右滑行的距离=1.6m  ⑥

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简答题

如图示,电荷量均为q,质量分别为m、3m的小球A 和B中间连接质量不计的细线,在竖直向上的匀强电场中,以速度匀速上升,不计两带电小球间的库仑力作用及空气阻力,求:

(1)电场强度大小及绳的张力。

(2)若某时刻细绳断开,则绳子断开后B球速度为零时,A球速度多大?

(3)若绳子断开瞬间电场强度反向,A经时间与B相碰,则绳长为多少?此时间内两球组成的系统的机械能增量为多少?

正确答案

解:(1)取A、B为整体,由平衡条件得,即

隔离A(或B)则有,所以绳的张力为

(2)将A、B视为整体,因系统合外力为零,所以系统动量守恒,

则有:,得

(3)绳子断开瞬间电场强度反向后,A、B均做类似竖直上抛运动,且A、B的加速度分别为:

知小球A、B经时间发生的位移分别为:

(负号表示在抛出点下方)

所以绳长为

此时间内两球组成的系统的机械能增量为

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简答题

粗糙绝缘的水平面附近存在一个平行于水平面的电场,其中某一区域的电场线与x轴平行,且沿x轴方向的电势φ与坐标值x的关系如下表格所示:

根据上述表格中的数据可作出如下的φ-x图像。现有一质量为0.10kg,电荷量为1.0×10-7C带正电荷的滑块(可视作质点),其与水平面的动摩擦因数为0.20。问:

(1)由数据表格和图像给出的信息,写出沿x轴的电势φ与x的函数关系表达式。

(2)若将滑块无初速地放在x=0.10m处,则滑块最终停止在何处?

(3)在上述第(2)问的整个运动过程中,它的加速度如何变化?当它位于x=0.15m时它的加速度多大?

(4)若滑块从x=0.60m处以初速度v0沿-x方向运动,要使滑块恰能回到出发点,其初速度v0应为多大?

正确答案

解:(1)由数据表格和图像可得,电势φ与x成反比关系,即

V

(2)由动能定理=0

设滑块停止的位置为x2,有

代入数据有1.0×10-7

可解得x2=0.225m(舍去x2=0.1m)

(3)先做加速度减小的变加速运动,后做加速度增大的变减速运动,即加速度先减小后增大

当它位于x=0.15m时,图像上该点的切线斜率表示场强大小

E=N/C

滑块在该点的水平合力

故滑块的加速度a=Fx/m =0

(4)设滑块到达的最左侧位置为x1,则滑块由该位置返回到出发点的过程中

由动能定理=0

代入数据有1.0×10-7

可解得x1=0.0375m(舍去x1=0.6m)

再对滑块从开始运动到返回出发点的整个过程,由动能定理

-2=

代入数据有2×0.20×0.10×10(0.60-0.0375)=0.5×0.10

可解得≈2.12m/s

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简答题

如图所示,处于匀强磁场中的两根足够长、电阻不计的平行金属导轨相距1m、导轨平面与水平面成θ=37°角,下端连接阻值为R的电阻,匀强磁场方向与导轨平面垂直.质量为0.2kg,电阻不计的金属棒放在两导轨上,棒与导轨垂直并保持良好接触,它们之间的动摩擦因数为0.25。

(1)求金属棒沿导轨由静止开始下滑时的加速度大小.

(2)当金属棒下滑速度达到稳定时,电阻R消耗的功率为8W,求该速度的大小.

(3)在上问中,若R=2Ω,金属棒中的电流方向由a到b,求磁感应强度的大小与方向(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)

正确答案

解:(1)金属棒开始下滑的初速度为零,根据牛顿第二定律

mgsinθ-μmgcosθ=ma  ①

由①式解得a=10×(0.6-0.25×0.8)m/s2=4m/s2  ②

(2)设金属棒运动达到稳定时,速度为v,所受安培力为F,棒在沿导轨方向受力平衡

mgsinθ-μmgcosθ-F=0  ③

此时金属棒克服安培力做功的功率等于电路中电阻R消耗的电功率Fv=P  ④

由③、④两式解得v==10m/s  ⑤

(3)设电路中电流为I,两导轨间金属棒的长度为l,磁场的磁感应强度为B

I=  ⑥     

P=I2R  ⑦ 

由⑥、⑦两式解得B==0.4T  ⑧,磁场方向垂直导轨平面向上

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