- 物体的平衡
- 共5210题
如图,一根细绳跨过轻而无摩擦的滑轮,在绳的两端悬挂质量分别为M=2㎏和m=1㎏的物体,滑轮系在由天花板垂下的链子OA上。试求:当两物体匀加速运动时
(1)细绳的拉力T;
(2)链子OA的拉力F。
正确答案
解:(1)据牛顿第二定律
对M有:
对m有:
解得:
(2)据物体的平衡得
我国降雨呈现南多北少的局面,有资料表明武汉市的年平均降雨量为1260 mm。在下雨天我们会明显感觉到雨点越大,雨点对雨伞的冲击力也就越大,这一现象能否说明雨点越大,雨点落到地面的速度也就越大呢?现已知雨点下落过程受到的空气阻力与雨点的最大横截面积成正比,与雨点下落的速度v的平方成正比,即f=kSv2(其中k为比例系数)。雨点接近地面时近似看作匀速直线运动,重力加速度为g,若把雨点看作球形,其半径为r,球体的体积为雨点的密度为ρ,求:
(1)雨点最终的运动速度vm(用ρ、r、g、k表示);
(2)当雨点下落的速度达到时,雨点的加速度a的大小。
正确答案
解:(1)雨点在下落过程中受到重力和空气阻力作用,由于雨点接近地面时看成做匀速运动,所以有f1=mg
由题意知:
联立解得
(2)当雨点下落的速度达到时,空气的阻力
由牛顿第二定律得:mg-f'=ma,解得
如图所示的木板由倾斜部分和水平部分组成,两部分之间由一段圆弧面相连接,在木板的中间有位于竖直面内的光滑圆槽轨道,斜面的倾角为θ。现有10个质量均为m、半径均为r的均匀刚性球,在施加于1号球的水平外力F的作用下均静止,力F与圆槽在同一竖直面内,此时1号球球心距它在水平槽运动时的球心高度差为h。现撤去力F使小球开始运动,直到所有小球均运动到水平槽内,重力加速度为g。求:
(1)水平外力F的大小;
(2)1号球刚运动到水平槽时的速度;
(3)整个运动过程中,2号球对1号球所做的功。
正确答案
解:(1)以10个小球整体为研究对象,由力的平衡条件可得
得F=10mgtanθ
(2)以1号球为研究对象,根据机械能守恒定律可得
解得v0
(3)撤去水平外力F后,以10个小球整体为研究对象,利用机械能守恒定律可得
10mg(h+sinθ)=
·10mv
得
以1号球为研究对象,由动能定理得mgh+W=
得W=9mgrsinθ
在学校组织的一次扫雪活动中,一名学生用F=100 N的拉力先后两次拉质量为m=20kg的雪筐沿水平地面运动,如图所示。(sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度取g=10m/s2)
(1)第一次拉力为水平方向,雪筐恰好做匀速直线运动。求雪筐与地面之间的动摩擦因数。
(2)第二次拉力与水平方向成37°,雪筐做匀加速直线运动,求雪筐加速度的大小。
正确答案
解:(1)第一次拉力为水平方向,雪筐做匀速直线运动。则有:
已知F=100N,m=20kg,代入可得:μ=0.5
(2)以平行于地面方向为X轴,垂直地面方向为Y轴建立直角坐标系。根据牛顿第二定律有:
x轴:
Y轴:
解得:a=0.5 m/s2
AB两个质量均为m的小球,被一轻杆AB固定,轻杆长AB=L,OA=L/3,杆可绕O点的水平轴无摩擦地转动,初始时杆静止在竖直位置,如图所示,今在B球上施加一水平方向恒力F=mg,试求:
(1)转过90°过程中恒力做了多少功?
(2)在转动过程中B球获得的最大速度时AB杆与竖直方向夹角为多大?
(3)在转动过程中B球获得的最大速度是多少?
正确答案
解:(1)W=mgL
(2)B球获得最大速度时,系统处于力矩平衡状态,设杆和竖直方向夹角为θ,应有:
可得θ=60°
(3)设B球最大速度为v,则此时A球的速度应为v/2,根据动能定理:
v=m/s
质量为5×103kg的汽车在以P=6×104W的额定功率下沿平直公路前进,某一时刻汽车的速度为v0=10m/s,再经72s达到最大速度,设汽车受恒定阻力,其大小为2.5×103N.求:
(1)v0=10m/s时汽车的加速度a;
(2)汽车的最大速度vm;
(3)汽车在72s内经过的路程s.
正确答案
(1)根据P=Fv得:
F==
N=6×103N
F合=F-f=ma
a==
m/s2=0.7m/s2
(2)汽车以额定功率启动,牵引力减小,加速度减小,到最大速度时汽车做匀速运动.
∴当达到最大速度时,牵引力等于阻力
vm==
m/s=24m/s
(3)从开始到72s时刻依据动能定理得:
Pt-fs=mvm2-
mv02,
解得:s=1252m.
答:(1)v0=10m/s时汽车的加速度是0.7m/s2;
(2)汽车的最大速度是24m/s;
(3)汽车在72s内经过的路程是1252m.
如图所示,一带电荷量为+q、质量为m的小物块处于一倾角为37°的光滑斜面上,当整个装置被置于一水平向右的匀强电场中,小物块恰好静止。重力加速度取g,sin37°=0.6,cos37°=0.8。求:
(1)水平向右电场的电场强度;
(2)若将电场强度减小为原来的1/2,物块的加速度是多大;
(3)电场强度变化后物块下滑距离L时的动能。
正确答案
解:(1)小物块静止在斜面上,受重力、电场力和斜面支持力
FNsin37°=qE ①
FNcos37°=mg ②
由①②可得
(2)若电场强度减下为原来的1/2,
mgsin37°-qE'cos37°=ma ③
可得a=0.3g
(3)电场强度变化后物块下滑距离L时,重力做正功,电场力做负功,由动能定理
mgLsin37°-qE'Lcos37°=Ek-0 ④
可得Ek=0.3mgL
如图所示,一带电荷量为十q,质量为m的小物块处于一倾角为37°的光滑斜面上,当整个装置被置于一水平向右的匀强电场中,小物块恰好静止。重力加速度取g,sin37°=0.6,cos37°=0.8。求:
(1)水平向右电场的电场强度;
(2)若将电场强度减小为原来的1/2,物块的加速度是多大;
(3)电场强度变化后物块下滑距离L时的动能。
正确答案
解:(1)小物块静止在斜面上,受重力、电场力和斜面支持力
FNsin37°=qE ①
FNcos37°=mg ②
由①②可得
(2)若电场强度减小为原来的1/2,则
mgsin37°-qE'cos37°=ma ③
可得a=0.3g
(3)电场强度变化后物块下滑距离L时,重力做正功,电场力做负功,由动能定理
mgLsin37°-qE'Lcos37°=Ek-0 ④
可得Ek=0.3mgL
在如图所示,以O点为圆心,以r为半径的圆与坐标轴交点分别为a、b、c、d,空间有一与x轴正方向相同的匀强电场,同时,在O点固定一个电量为+Q的点电荷.如果把一个带电量为-q的检验电荷放在c点,恰好平衡,求:
(1)匀强电场的场强大小E为多少?
(2)a、d点的合场强大小各为多少?
(3)如果把O点的正点电荷+Q移走,把点电荷-q从c点沿x轴移到a点,求电场力做的功及点c、a两点间的电势差.
正确答案
(1)点电荷-q在c点受力平衡,则有
k=qE,
解得:E=k.
(2)在a点的合场强大小为
Ea=EQ+E=k+k
=2k
d点的合场强为点电荷+Q和匀强电场的矢量叠加,有
Ed==
E=
k
.
(3)电场力做功W=-qE•2r=-2k,
Uca==
=
.
答:(1)匀强电场的场强大小E为k;
(2)a点场强大小为2k,d点的合场强大小为
k
;
(3)如果把O点的正点电荷+Q移走,把点电荷-q从c点沿x轴移到a点,电场力做的功为-2k,
点c、a两点间的电势差为.
如图所示,一光滑斜面的直角点A处固定一带电荷量为+q、质量为m的绝缘小球,另一同样小球置于斜面顶点B处,已知斜面长为L,现把上部小球从B点由静止自由释放,球能沿斜面从B点运动到斜面底端C处。求:
(1)小球从B处开始运动到斜面中点D处时的速度。
(2)小球运动到斜面底端C处时,球对斜面的压力是多大?
正确答案
解:(1)由题意知小球运动到D点时,由于AD=AB,所以有φD=φB,即UDB=φD-φB=0 ①
则由动能定理得 ②
联立①②解得 ③
(2)当小球运动到C点时,对球受力分析如图所示
则由平衡条件得FN十F库·sin30°=mgcos30° ④
由库仑定律得 ⑤
联立④⑤得
由牛顿第三定律得
如图所示,倾角为θ的足够长的光滑绝缘斜面上存在宽度均为L的匀强电场和匀强磁场区域,电场的下边界与磁场的上边界相距为L,其中电场方向沿斜面向 上,磁场方向垂直于斜面向下、磁感应强度的大小为B。电荷量为q的带正电小球(视为质点)通过长度为4L的绝缘轻杆与边长为L、电阻为R的正方形单匝线框相连 ,组成总质量为m的装置,置于斜面上,线框下边与磁场的 上边界重合。现将该装置由静止释放,当线框下边刚离开磁场时恰好做匀速运动;当小球运动到电场的下边界时刚 好返回。已知L=1m,B=0.8T,q=2.2×10-6 C,R=0.1Ω,m=0.8kg,θ=53°,sin53°=0.8,g取10m/s2。求:
(1)线框做匀速运动时的速度大小;
(2)电场强度的大小;
(3)经足够长时间后,小球到达的最低点与电场上边界的距离。
正确答案
解:(1)设线框下边离开磁场时做匀速直线运动的速度为0,则:
,
,
根据平衡条件:
可解得
(2)从线框刚离开磁场区域到小球刚运动到电场的下边界
动能定理:
可求得N/C
(3)设经足够长时间后,小球运动的最低点到电场上边界的距离为,线框最终不会再进入磁场,即运动的最高点是线框
的上边与磁场的下边界重合
动能定理:
可得m
一根长为l的丝线吊着一质量为m的带电量为q的小球,静止在水平向右的匀强电场中,如图所示,丝线与竖直方向成37°角,现突然将该电场方向变为向下且大小不变,不考虑因电场的改变而带来的其他影响,(重力加速度为g),求:
(1)匀强电场的电场强度的大小;
(2)求小球经过最低点时丝线的拉力。
正确答案
解:(1)小球静止在电场中受力如图:
显然小球带正电,由平衡条件得:
①
故 ②
(2)电场方向变成向下后,小球开始摆动做圆周运动,重力、电场力对小球做正功
由动能定理: ③
由圆周运动知识,在最低点时: ④
由③④得: ⑤
某人欲将质量m=2.0×102kg的货箱推上高h=1.0m的卡车,他使用的是一个长L=5.0m的斜面(斜面与水平面平滑连接),如图所示.假设货箱与水平面和斜面的动摩擦因数均为μ=0.10,此人沿平行于地面和斜面对货箱所施的最大推力均为Fm=4.0×102N.为计算方便可认为cosθ≈1,g取10m/s2.
(1)通过计算说明此人从斜面底端,用平行于斜面的力不能把货箱匀速推上卡车;
(2)此人要把货箱推上卡车,需要先在水平地面上推动货箱做加速运动,使货箱在斜面的底端 A处具有一定的速度,接着继续用平行于斜面最大推力Fm推货箱.为把货箱推到斜面顶端的卡车上,货箱在斜面底端的速度至少为多大?
(3)此人先以水平力,后以平行于斜面的力推货箱,推力大小总是Fm,那么,把静止于地面的货箱从水平面推到卡车上至少需做多少功?
正确答案
(1)设货箱与斜面间的滑动摩擦力为f,斜面对货箱的支持力为N,斜面倾角为θ,平行于斜面用力把货箱匀速推上卡车用力为F,则:
f=μN
N=mgcosθ
F=f+mgsinθ
F=6.0×102N
因为Fm小于需要的推力6.0×102N,所以不能把货箱匀速推上卡车.
(2)欲求货箱在斜面低端的最小速度,则可设货箱到达斜面顶端时速度为零.设货箱在斜面上做匀减速运动的加速度大小为a1,货箱在斜面底端时速度至少为v,根据牛顿第二定律:
mgsinθ+μmgcosθ-Fm=ma1解得:
a1=1.0 m/s2
根据运动学公式有:v2=2a1L
解得:v=m/s≈3.2m/s
(3)要使推力做功最少,则货箱到达斜面顶端时速度为零,即货箱通过A点时速度为v,设货箱在推力Fm作用下沿水平面运动距离为s到斜面底端时,速度大小为v,根据动能定理有:
Fms-μmgs=mv2解得:s=5.0m
此人在全过程做的功为:W=Fm(s+L)=4.0×103J;
答:(1)不能将货箱推上去;
(2)货箱在斜面底端的速度至少为3.2m/s;
(3)此人在全程做的功为4.0×103J.
如图所示,一条长为L的细线,上端固定,下端栓一质量为m的带电小球,将它置于一匀强电场中,电场强度大小为E,方向水平向右,已知细线离开竖直位置的偏角为α时,小球处于平衡.
(1)小球带何种电荷?求出小球所带的电量.
(2)如果使细线的偏角由α增大到φ,然后将小球由静止释放,则φ为多大才能使在细线到达竖直位置时,小球的速度刚好为零?
(3)当细线与竖直方向成α角时,至少要给小球一个多大的冲量,才能使小球做圆周运动?
正确答案
如图所示,高为0.3m的水平通道内,有一个与之等高的质量为=1.2kg表面光滑的立方体,长为=0.2m的轻杆下端用铰链连接于点,点固定在水平地面上竖直挡板的底部(挡板的宽度可忽略),轻杆的上端连着质量为=0.3kg的小球,小球靠在立方体左侧。取=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。
(1)为了使轻杆与水平地面夹角α=37°时立方体平衡,作用在立方体上的水平推力1应为多大?
(2)若立方体在2=4.5N的水平推力作用下从上述位置由静止开始向左运动,则刚要与挡板相碰时其速度多大?
(3)立方体碰到挡板后即停止运动,而轻杆带着小球向左倒下碰地后反弹恰好能回到竖直位置,若小球与地面接触的时间为=0.05s,则小球对地面的平均冲击力为多大?
(4)当杆回到竖直位置时撤去2,杆将靠在立方体左侧渐渐向右倒下,最终立方体在通道内的运动速度多大?
正确答案
解:(1)对小球有
(2)
可解得1=0.8m/s
(3)设小球碰地的速度为2,有
可解得
设小球碰地后反弹的速度为3,有
可解得
对小球的碰地过程,根据牛顿第二定律有
可解得=27.9N
(4)设杆靠在立方体向右倒下与地面的夹角为θ时小球与立方体分离,此时小球与立方体的速度分别为和可有
联立上述方程可解得。
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