- 物体的平衡
- 共5210题
直杆AB和BC按如图所示连接,A、B、C处均为铰链,杆及铰链的质量都不计.现将重力为G、可视为质点的物块放在图中P处.则( )
正确答案
如图所示,光滑斜面的底端a与一块质量均匀、水平放置的平板光滑相接,平板长为2L,L=1.5m,其中心C固定在高为R的竖直支架上,R=1.5m,支架的下端与垂直于纸面的固定转轴O连接,因此平板可绕转轴O沿顺时针方向翻转.问:在斜面上离平板高度为h0处放置一滑块A,使其由静止滑下,滑块与平板间的动摩擦因数μ=0.40,为使平板不翻转,h0最大为多少?(重力加速度g取10m/s2)
某同学这样要使平板不翻转,A在板上滑行的最大距离是L,因此h0最大值可由mgh0-μmgL=0-0求得.
你认为这位同学的解答是否正确?如果认为正确,请解出h0的最大值;如果认为不正确,请指出错误之处,并求出h0的最大值.
正确答案
不正确,因为没有考虑摩擦力的力矩.
设A在水平板上滑行S停下,恰好不翻倒
对平板:N(L-S)=μNR
求得S=L-μR=(1.5-0.40×1.5)=0.9m
对A:mgh0-μmgS=0-0
求得:h0=μS=0.40×0.90=0.36m
答:这位同学的解答不正确,h0的最大值为0.36m.
如图装置所示,水平横杆AB重量不计,B端的定滑轮重量及大小都可略去不计。BC与AB间夹角为30°,重物质量为40kg,在竖直向下力F作用下匀速上升,求BC绳对B点的拉力FBC(g取10m/s2)。
正确答案
解:由于,所以B受向下的拉力为
据力矩平衡
BC绳对B点的拉力为
在用力矩盘做“有固定转动轴物体的平衡”的实验时,在用细线悬挂钩码前,以下哪些措施是必要的______.
A.判断力矩盘是否处于竖直平面.
B.判断横杆是否严格保持水平.
C.判断力矩盘与转轴间的摩擦是否足够小.
D.判断力矩盘的重心是否位于盘的中心.
正确答案
A、为了防止细线及弹簧称与力矩盘产生摩擦,判断力矩盘是否处在竖直平面是必要的.故A正确.
B、本实验与横杆MN是否平衡无关,没有必要检查横杆MN是否严格保持水平.故B错误.
C、D本实验要研究力矩盘平衡时砝码的拉力力矩和弹簧拉力力矩的关系,重力、摩擦力等影响要尽可能小,所以摩擦力要足够小,力矩盘的重心应在盘中心.故CD正确.
故选ACD
质量M=2.0kg的小铁块静止于水平轨道AB的A端.导轨及支架ABCD形状及尺寸如图所示,质量m=4.0kg.它只能绕通过支架D点垂直于纸面水平转动,其中心在图中的O点,现有一细线沿导轨拉小铁块,拉力F=12N,小铁块和导轨之间的动摩擦因数μ=0.50.g取10m/s2从小铁块运动时起,导轨(及支架)能保持静止的最长时间是多少?
正确答案
当导轨刚要不能维持平衡时,C端受的力为零,此时导轨(及支架)受四个力作用:滑块对导轨的压力FN=mg,竖直向下,滑块对导轨的摩擦力Ff=μmg=10N,重力G=m′g,作用在O点,方向竖直向下,作用于轴D端的力.
设此时的铁块走过的路程S,根据有固定转动轴物体平衡条件及图中尺寸,有:
m′g×0.1+mg(0.7-s)=Ff×0.8=μmg×0.8
代入数据,有:40×0.1+20(0.7-s)=10×0.8
解得s=0.5m
铁块受的摩擦力Ff=10N,方向向右.
根据牛顿第二定律,有:F-Ff=ma
解得:a=1.0m/s2
∵S=at2
∴t=1.0s
答:从小铁块运动时起,导轨(及支架)能保持静止的最长时间是1s.
在做“研究有固定转动轴物体平衡条件”的实验过程中,检验力矩盘的重心是否位于盘中心的方法是______,若发现质量为m,半径为R的力矩盘的重心C不在盘心,且重心C与盘心O的距离为r,则可以通过在______(选填“A”或“B”)位置粘适量橡皮泥的方法来调整,所需橡皮泥的质量△m=______.
正确答案
若重力的力矩为零,轻轻转动圆盘看圆盘是否能在任何位置平衡;
若发现质量为m,半径为R的力矩盘的重心C不在盘心,且重心C与盘心O的距离为r,为了消除力矩盘的重力影响,可以通过在A位置粘适量橡皮泥的方法来调整,根据力矩平衡条件,有:
△mgR=mgr
解得:△m=;
故答案为:轻轻转动圆盘看圆盘是否能在任何位置平衡,A,.
用如图所示的装置来测量一把质量分布均匀、长度为L的刻度尺的质量.某同学是这样设计的:将一个读数准确的弹簧测力计竖直悬挂,取一段细线做成一环,挂在弹簧测力计的挂钩上,让刻度尺穿过细环中,环与刻度尺的接触点就是尺的悬挂点,它将尺分成长短不等的两段.用细线拴住一个质量未知的木块P挂在尺较短的一段上,细心调节尺的悬挂点及木块P的悬挂点位置,使直尺在水平位置保持平衡.已知重力加速度为g.
(1)必须从图中读取哪些物理量:______(同时用文字和字母表示);
(2)刻度尺的质量M的表达式:______(用第一小问中的字母表示).
正确答案
(1)利用此装置测量刻度尺质量,必须读取的物理量有:木块P的悬挂点在直尺上的读数x1、刻度尺的悬挂点在直尺上的读数x2,弹簧测力计的示数F;
(2)以B点为支点,根据力矩条件得
Mg(L-x2)=(F-Mg)(x2-x1)
解得,M=
故答案为:(1)木块P的悬挂点在直尺上的读数x1、刻度尺的悬挂点在直尺上的读数x2,弹簧测力计的示数F;
(2)M=
如图所示,水平轻杆CB长1m,轻杆与墙通过转轴O连接.现在离B点20cm处D点挂一重50N的物体,则绳AB中的拉力为______N;O对C的作用力的方向沿______(填“水平”、“斜向上”、“斜向下”)
正确答案
则以C转轴,根据力矩平衡条件得
G•LCD=F•LBCsin30°
得绳AB中的拉力F==
N=80N
设O对C的作用力大小为F,水平分力为Fx,竖直分力为Fy.
根据轻杆平衡知:
竖直方向:G=Fsin30°+Fy,则得Fy=G-Fsin30°=50N-80×0.5N=10N,方向竖直向上.
水平方向:Fx=Fcos30°,则得Fx方向水平向右.
所以F的方向为斜向上
故答案为:80,斜向上
如图所示,一个轻质直角形薄板ABC,AB=0.80m,AC=0.60m,在A点固定一垂直于薄板平面的光滑转动轴,在薄板上D点固定一个质量为m=0.40kg的小球,现用测力计竖直向上拉住B点,使AB水平,如图(a),测得拉力F1=2.0N;再用测力计竖直向上拉住C点,使AC水平,如图(b),测得拉力F2=2.0N(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8).求:
(1)小球和转动轴的距离AD;
(2)在如图(a)情况下,将小球移动到BC边上距离A点最近处,然后撤去力F1,薄板转动过程中,AB边能转过的最大角度;
(3)在第(2)问条件下,薄板转动过程中,B点能达到的最大速度vB.
正确答案
(1)设小球D距AC为x,距AB为y.
AB边水平时,根据力矩平衡得:
AC边水平时,根据力矩平衡得:
所以 =
=
m=0.50m
(2)设AD连线与AC边的夹角为θ,由几何关系可知θ=37°.根据机械能守恒定律得AD边转过的最大角度是2θ,所以AB边转过的最大角度是2θ=74°.
(3)根据机械能守恒定律,小球运动到最低点时,重力势能最小,动能最大
在转动过程中,薄板上各点角速度相同,所以=
,vC=
×vD=
×1.39m/s≈2.32m/s
答:(1)小球和转动轴的距离AD为0.5m;
(2)AB边能转过的最大角度为74°;
(3)在第(2)问条件下,薄板转动过程中,B点能达到的最大速度为2.32m/s.
如图所示,长为L2、重为G2的均匀撬棒,把一块长为L1、重为G1的均匀预制板支起,处于平衡状态,假设地面是粗糙的,预制板与撬棒接触处是光滑的,α、β已知,作用力F垂直撬棒,试求:
(1)撬棒给预制板的支持力大小;
(2)作用力F的大小.
正确答案
(1)选取预制板为研究对象,在撬动预制板的一瞬间,预制板处于平衡状态.如图2所示:
选取O为转动轴,据有固定转动轴物体的平衡条件得:
NL1cos(α-β)-G1L1cosβ=0
得撬棒给预制板的支持力:
N=
(2)再选撬棒为研究对象,如图3所示,选取O′为转动轴,据有固定转动轴物体的平衡条件,有:
FL2-G2L2cosα-N′L′=0
式中,N′与N大小相等.
在三角形ODO′中,运用正弦定理得
=
解得力F的大小为
F=[G2cosα+
•G1]
答:(1)撬棒给预制板的支持力大小为;
(2)作用力F的大小为[G2cosα+
•G1].
如图甲所示,质量均为m的、可视为质点的两个带电小球A,B被固定在弯成90°角的绝缘轻杆两端,OA和OB的长度均为L,可绕过O点的、与纸面垂直的水平轴无摩擦的转动,空气的作用力不计。已知A球带电量qA=+q,B球带电量qB=+3q,绝缘轻杆、A和B组成的系统在竖直向下的匀强电场中处于平衡状态,杆OA与竖直方向的夹角θ=53°,静电力常量用K表示,sin53°=0.8,cos53°=0.6。试求:
(1)竖直向下的匀强电场的场强E;
(2)将带正电的、也可视为质点的小球C从无限远处缓慢地移入,使绝缘轻杆缓慢地转动,在小球C到轴O的正下方L处时。恰好使杆OA(与竖直方向的夹角θ=45°)处于平衡状态,如图乙所示,小球C带电量qC;
(3)在(2)的条件下,若已知小球C从无限远处缓慢地移到轴O的正下方L处的过程中,小球C克服匀强电场的电场力做功为W1,小球A,B,C之间的库仑力做功为W2,则在这个过程中匀强电场和小球A,B,C组成的整个系统的电势能变化量△W为多少?
正确答案
解:(1)系统在电场中力矩平衡,则(mg+Eq)Lsin53°=(mg+3Eq)Lsin37°
解得:E=mg/5q
(2)当A,B系统再次平衡的,由力矩平衡条件得
得:
(3)
两个带电量均为+q小球,质量均为m,固定在轻质绝缘等腰直角三角形框架OAB的两个端点A、B上,另一端点用光滑铰链固定在O点,整个装置可以绕垂直于纸面的水平轴在竖直平面内自由转动.直角三角形的直角边长为L.
(1)若施加竖直向上的匀强电场E1,使框架OB边水平、OA边竖直并保持静止状态,则电场强度E1多大?在此电场中,此框架能否停止在竖直平面内任意位置?
(2)若改变匀强电场的大小和方向(电场仍与框架面平行),为使框架的OB边水平、OA边竖直(A在O的正下方),则所需施加的匀强电场的场强E2至少多大?方向如何?
(3)若施加竖直向上的匀强电场E3=,并将A球的带电量改为-q,其余条件不变,试找出框架所有可能的平衡位置,求出OA边与竖直方向的夹角θ,并画出所对应的示意图.
正确答案
(1)根据有固定转动轴物体的平衡条件,有qE1L=mgL ①
得 E1= ②
在此电场中,电场力刚好抵消重力,此三角形框架能停止在竖直平面内任意位置.
(2)设匀强电场E2的方向与竖直方向夹角为θ,则根据有固定转动轴物体的平衡条件,有
qE2Lcosθ+qE2Lsinθ=mgL ③
即qE2sin(θ+
)=mg
当θ=时,E2min=
④
(3)设三角形框架平衡时OA边偏离竖直方向θ角,则OB边偏离水平方向的夹角也为θ,根据有固定转动轴物体的平衡条件,有
qE3Lcosθ=mgLcosθ+(mg+qE3)Lsinθ ⑤
将E3=代入,解得:tanθ=
,θ=arctan
≈18.4°⑥
三角形框架可能的出现的平衡位置如图所示:
某种汽车的制造标准是车身在横向倾斜300角时不翻倒,如图所示。若车轮间距离为2m,那么车身重心G离斜面的高度应不超过多少米?
正确答案
h = 1.73m。
以车为研究对象,进行受力分析
只要重力的作用线不超过车轮的支持面,车就不会翻倒。车轮与斜面的接触点A是支持面的接触边缘。在直角三角形AGO中,∠AGO = 300,AO = = 1m,则重心高h =
=
m = 1.73m。
如图所示,长为L=4m轻杆可绕其中点O自由转动,初始时质量M=4kg的小物体通过细绳挂在杆的右端,质量m=5kg的小物体通过细绳挂在杆的左端,为使轻杆水平静止,在距左端1m 的P处将其托住,则P点受到轻杆的压力大小为 N;若用水平拉力缓慢将M拉高y,则P处受到的压力 (填“变大”、“变小”或“不变”).
正确答案
以O为支点,根据力矩平衡条件,有:mg•=Mg•
+N•
,解得N=20N;
拉起y高度后,以M为研究对象,设细绳与竖直方向的夹角为α,细绳拉力大小为T,则由平衡条件得:Tcosα=Mg
以O为支点,设杆长为L,PO间距离为l.根据力矩平衡条件得:mg•=N•
+Tcosα•
;
由以上两式得 mg•=N•
+Mg•
;
由于M、m、L均不变,则得N不变,即P对杆的支持力不变,则P处受到的压力不变.
故答案为:20,不变.
如图所示,轻杆AB、BC由铰链相连,并通过铰链固定在竖直墙壁上,构成一直角支架,一个质量为m的小物块从A处由静止开始沿AB杆滑下,已知∠BAC=θ,AC=h,物块与杆AB的动摩擦因数为μ,求AB杆的B端受到的作用力随时间的变化关系。
正确答案
解:由题意可知小物块和杆AB受力情况如图所示(为方便计,一对作用力、反作用力用同一字母表示)
对物块有:mgcosθ-μmgsinθ=ma
得:a=gcosθ-μgsinθ
对杆AB,以A点为转轴,有:F×h=FNs
即:F×h=mgsinθ·1/2g(cosθ一sinθ)×t2
所以杆AB的B端受到的作用力为:
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