• 用牛顿运动定律解决问题(二)
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简答题

某同学近日做了这样一个实验,将一个小铁块(可看成质点)以一定的初速度,沿倾角可在0-90°之间任意调整的木板向上滑动,设它沿木板向上能达到的最大位移为x,若木板倾角不同时对应的最大位移x与木板倾角α的关系如图所示.g取10m/s2.求(结果如果是根号,可以保留):

(1)小铁块初速度的大小v0以及小铁块与木板间的动摩擦因数μ是多少?

(2)当α=60°时,小铁块达到最高点后,又回到出发点,物体速度将变为多大?

正确答案

解:(1)根据动能定理,物体沿斜面上滑过程,根据动能定理,有:

-mgsinα•S-μmgcosα•S=0-mv02

解得:

S=

由图可得,当α=90°时,根据v02=2gs,代入数据得v0=5m/s,即物体的初速度为5m/s.

由图可得,α=30°时,s=1.25,代入数据得:μ=

(2)物体沿斜面上升的最大位移s与斜面倾角θ的关系为:

S=

把α=60°代入,解得:

s=

由动能定理得:

-μmgcosα•2S=mvt2-mv02

解得:vt=2.5m/s;

答:(1)小铁块初速度的大小为5m/s,小铁块与木板间的动摩擦因数μ是

(2)当α=60°时,小铁块达到最高点后,又回到出发点,物体速度将变为2.5m/s.

解析

解:(1)根据动能定理,物体沿斜面上滑过程,根据动能定理,有:

-mgsinα•S-μmgcosα•S=0-mv02

解得:

S=

由图可得,当α=90°时,根据v02=2gs,代入数据得v0=5m/s,即物体的初速度为5m/s.

由图可得,α=30°时,s=1.25,代入数据得:μ=

(2)物体沿斜面上升的最大位移s与斜面倾角θ的关系为:

S=

把α=60°代入,解得:

s=

由动能定理得:

-μmgcosα•2S=mvt2-mv02

解得:vt=2.5m/s;

答:(1)小铁块初速度的大小为5m/s,小铁块与木板间的动摩擦因数μ是

(2)当α=60°时,小铁块达到最高点后,又回到出发点,物体速度将变为2.5m/s.

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(2016春•银川校级月考)风筝(图甲)借助于风对其均匀的作用力和牵线对它的拉力作用,才得以在空中处于平衡状态.如图乙,风筝平面AB与地面夹角为30°,牵线与风筝面夹角为53°,风筝质量为300g,求风对风筝的作用力的大小.(风对风筝的作用力与风筝平面垂直,g取10m/s2

正确答案

解:对风筝受力分析,并如图建立直角坐标系,将N及T沿坐标轴分解,则有:

x轴:F•cos53°=mg•sin30°;

y轴:N=mgsin60°+Fsin53°;

联立解得:═4.6N

答:风对风筝的作用力的大小是4.6N.

解析

解:对风筝受力分析,并如图建立直角坐标系,将N及T沿坐标轴分解,则有:

x轴:F•cos53°=mg•sin30°;

y轴:N=mgsin60°+Fsin53°;

联立解得:═4.6N

答:风对风筝的作用力的大小是4.6N.

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简答题

如图所示,物体A置于倾角为37°的光滑斜面上并用竖直光滑挡板挡住,已知物体A的重力G=40N,斜面对A的弹力N1=50N,挡板对A的弹力N2=30N,要求在图中用直尺做出物体A所受的力的图示.

正确答案

解:对小球受力分析,受重力、挡板的支持力和斜面的支持力,作出力的图示,如图所示:

答:如图所示.

解析

解:对小球受力分析,受重力、挡板的支持力和斜面的支持力,作出力的图示,如图所示:

答:如图所示.

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简答题

如图所示,一带电为+q质量为m的小物快,处于一倾角为37°的光滑绝缘的固定斜面上,当整个装置处于一水平方向的匀强电场中时,小物块恰好处于静止.若从某时刻起,只将电场强度大小减小为原来的一半,方向保持不变.求:

(1)原来电场强度的大小和方向.

(2)场强变化后,物块的加速度大小.

(3)场强变化后,物块下滑距离L时其电势能的变化.

(已知:sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度为g)

正确答案

解:(1)如图所示,小物块受重力、斜面支持力和电场力三个力作用,受力平衡,运用合成法则有:

qE=mgtan37°

则E=,方向与电场力方向相同:向右.

(2)电场强度大小减小为原来的一半后,正交分解,

根据牛顿第二定律得:mgsin37°-qEmgcos37°=ma

得:a=0.3g;

(3)电场力做功为:W=-qEcos37°•L=-0.3mgL

则物块的电势能增加0.3mgL.

答:(1)原来电场强度的大小为,方向向右.

(2)场强变化后,物块的加速度大小为0.3g.

(3)场强变化后,物块下滑距离L时其电势能增加0.3mgL.

解析

解:(1)如图所示,小物块受重力、斜面支持力和电场力三个力作用,受力平衡,运用合成法则有:

qE=mgtan37°

则E=,方向与电场力方向相同:向右.

(2)电场强度大小减小为原来的一半后,正交分解,

根据牛顿第二定律得:mgsin37°-qEmgcos37°=ma

得:a=0.3g;

(3)电场力做功为:W=-qEcos37°•L=-0.3mgL

则物块的电势能增加0.3mgL.

答:(1)原来电场强度的大小为,方向向右.

(2)场强变化后,物块的加速度大小为0.3g.

(3)场强变化后,物块下滑距离L时其电势能增加0.3mgL.

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如图,物体A、B用跨过轻滑轮的细绳相连,都处于静止状态,绳子质量、滑轮质量及绳子与滑轮间的摩擦均不计,绳与水平方向成θ=37°角.已知A重50N,B重130N,sin37°=0.6、cos37°=0.8)

(1)在图中分别画出物体A、B的受力示意图,并求出绳的拉力大小

(2)试求出地面对B的支持力和摩擦力的大小

(3)若将物体B向右移动少许,物体A、B仍处于静止状态试判断地面对B的支持力怎样变化?

正确答案

解:(1)对物体A、B分别受力分析,如图所示:

对物体A受力知,T=GA=mg=50N  

(2)对物体B,将绳对B的拉力分解为

水平方向分力Tx=Tcosθ=50×0.8=40N           

竖直方向分力Ty=Tsinθ=50×0.6=30N           

则地面对B的支持力大小N=G-Ty=130-30=100N   

摩擦力的大小f=Tx=40N   

(3)若将物体B向右移动少许,角θ变小,根据N=G-Ty=G-GA•sinθ可知,支持力变大

答:(1)物体A、B的受力如图所示,绳的拉力大小为50N;

(2)地面对B的支持力为100N,摩擦力的大小为40N;

(3)若将物体B向右移动少许,物体A、B仍处于静止状态,地面对B的支持力将变大.

解析

解:(1)对物体A、B分别受力分析,如图所示:

对物体A受力知,T=GA=mg=50N  

(2)对物体B,将绳对B的拉力分解为

水平方向分力Tx=Tcosθ=50×0.8=40N           

竖直方向分力Ty=Tsinθ=50×0.6=30N           

则地面对B的支持力大小N=G-Ty=130-30=100N   

摩擦力的大小f=Tx=40N   

(3)若将物体B向右移动少许,角θ变小,根据N=G-Ty=G-GA•sinθ可知,支持力变大

答:(1)物体A、B的受力如图所示,绳的拉力大小为50N;

(2)地面对B的支持力为100N,摩擦力的大小为40N;

(3)若将物体B向右移动少许,物体A、B仍处于静止状态,地面对B的支持力将变大.

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如图所示,B是一个质量为M=3kg的木块,A是一个质量为m=1kg的小空桶,它们通过一根轻绳和光滑的定滑轮放置在粗糙的斜面两侧,斜面固定在地上,倾角为θ=30°,此时B恰好不下滑.g=10m/s2

(1)B与斜面间的最大静摩擦力为多大;

(2)现向空桶A内添加沙子,为保证B仍然不滑动,求最多能添加的沙子的质量.

正确答案

解:(1)因为B恰好不下滑,所以B所受静摩擦力沿斜面向上达到最大,

     由平衡条件得,F+fm=Mgsinθ

       又对A:F=mg

    由此可得fm=5N

  (2)当添加沙子足够多时,绳子拉力增大,B恰好不沿斜面向上滑动,此时B所受最大静摩擦力沿斜面向下.

    则有F‘=Mgsinθ+fm

   又对A:F'=mg+m'g

   由此可得m'=1kg

答:(1)B与斜面间的最大静摩擦力为5N;

    (2)为保证B仍然不滑动,能添加的沙子的质量最多为1kg.

解析

解:(1)因为B恰好不下滑,所以B所受静摩擦力沿斜面向上达到最大,

     由平衡条件得,F+fm=Mgsinθ

       又对A:F=mg

    由此可得fm=5N

  (2)当添加沙子足够多时,绳子拉力增大,B恰好不沿斜面向上滑动,此时B所受最大静摩擦力沿斜面向下.

    则有F‘=Mgsinθ+fm

   又对A:F'=mg+m'g

   由此可得m'=1kg

答:(1)B与斜面间的最大静摩擦力为5N;

    (2)为保证B仍然不滑动,能添加的沙子的质量最多为1kg.

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简答题

人类受小鸟在空中飞翔的启发而发明了飞机,小鸟在空中滑翔时获得向上的举力可表示为F=kSv2,式中S为翅膀的面积,v为小鸟飞行的速度,k为比例系数,一小鸟质量为120g,翅膀面积为S1,其水平匀速滑翔的最小速度为12m/s.假定飞机在跑道上滑行时获得向上的举力与小鸟滑翔时获得的举力有同样的规律.现有一架质量为3200kg的飞机,其机翼面积为600S1,若它在跑道上由静止开始匀加速滑行,加速度a=5m/s2,求此飞机起飞前在跑道上滑行的距离.

正确答案

解:小鸟飞行时获得向上举力与重力平衡 …①

飞机起飞时获得的举力与重力平衡,则k×600…②

代入数据解得:v2=80m/s 

根据运动学公式  v2=2as…③

得飞机起飞前在跑道上滑行的距离m   

答:飞机起飞前再跑道上滑行的距离为640m.

解析

解:小鸟飞行时获得向上举力与重力平衡 …①

飞机起飞时获得的举力与重力平衡,则k×600…②

代入数据解得:v2=80m/s 

根据运动学公式  v2=2as…③

得飞机起飞前在跑道上滑行的距离m   

答:飞机起飞前再跑道上滑行的距离为640m.

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简答题

如图所示A、B两点在同一水平面上,轻绳OA、OB与水平方向的夹角分别为37°和53°,若轻绳OA和OB所能承受的最大拉力分别为120N和170N,要使s两根轻绳都不致于拉断,在O点所挂重物的重力不得超过多大?(sin37°=0.6,cos37°=0.8)

正确答案

解:假设随着重物重力的增大时,轻绳OA和OB都不被拉断.以结点O为研究对象,分析受力情况,作出力图,如图.

当AO绳拉力达到最大时,根据平衡条件得

绳BO的拉力FBO=FAOcot37°=160N<170N,说明当重物的重力逐渐增加时,AO绳的拉力先达到最大,此时重物的重力达到最大.

此时重物的重力为G==200N

答:在O点所挂重物的重力不得超过200N.

解析

解:假设随着重物重力的增大时,轻绳OA和OB都不被拉断.以结点O为研究对象,分析受力情况,作出力图,如图.

当AO绳拉力达到最大时,根据平衡条件得

绳BO的拉力FBO=FAOcot37°=160N<170N,说明当重物的重力逐渐增加时,AO绳的拉力先达到最大,此时重物的重力达到最大.

此时重物的重力为G==200N

答:在O点所挂重物的重力不得超过200N.

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简答题

如图所示,三根不可伸长的相同的轻绳,一端系在半径为R0的环1上,彼此间距相等.绳穿过半径为R0的第3个圆环,另一端用同样方式系在半径为2R0的圆环2上.环1固定在水平面上,整个系统处于平衡.试求第2个环中心与第3个环中心的距离.(三个环都是用同种金属线制作的,摩擦不计)

正确答案

解:因为环2的半径为环3的2倍,环2的周长为环3的2倍,三环又是用同种金属丝制成的,所以环2的质量为环3的2倍.设m为环3的质量,那么三根绳承担的力为3mg,于是,环1与环3之间每根绳的张力FT1=mg.没有摩擦,绳的重量不计,故每根绳子沿其整个长度上的张力是相同的,

FT1=FT2=mg

对环2,平衡时有:2mg-3FT2cosα=0,

由此cosα=

环2中心与环3中心之距离:

得:x=

答:第2个环中心与第3个环中心的距离为

解析

解:因为环2的半径为环3的2倍,环2的周长为环3的2倍,三环又是用同种金属丝制成的,所以环2的质量为环3的2倍.设m为环3的质量,那么三根绳承担的力为3mg,于是,环1与环3之间每根绳的张力FT1=mg.没有摩擦,绳的重量不计,故每根绳子沿其整个长度上的张力是相同的,

FT1=FT2=mg

对环2,平衡时有:2mg-3FT2cosα=0,

由此cosα=

环2中心与环3中心之距离:

得:x=

答:第2个环中心与第3个环中心的距离为

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简答题

(2014秋•广州期末)如图所示,两个相同的小球A和B,质量均为m,用长度相同的两根细线把A、B两球悬挂在同一点O,并用长度相同的细线连接A、B两小球,然后,用一水平方向的力F作用在小球A上,此时三根细线均处于直线状态,且OB细线恰好处于竖直方向,不考虑小球的大小,两小球均处于静止状态,则

(1)OB连线中的拉力为多大?

(2)OA连线中的拉力为多大?

(3)水平力F为多大?

正确答案

解:(1)对B分析,由于OB细线恰好处于竖直方向,B处于平衡状态,可知AB绳中张力为0,有:

mg-TB=0   

得:TB=mg   

(2)(3)对球A:A受到重力G,作用力F和OA绳的拉力TA,受力分析如图.

根据平衡条件得:

TAcos60°-mg=0   

TAsin60°-F=0    

得:TA=2mg    

F=mg  

答:(1)OB绳对小球的拉力为mg;

(2)OA绳对小球的拉力为2mg;

(3)作用力F为mg.

解析

解:(1)对B分析,由于OB细线恰好处于竖直方向,B处于平衡状态,可知AB绳中张力为0,有:

mg-TB=0   

得:TB=mg   

(2)(3)对球A:A受到重力G,作用力F和OA绳的拉力TA,受力分析如图.

根据平衡条件得:

TAcos60°-mg=0   

TAsin60°-F=0    

得:TA=2mg    

F=mg  

答:(1)OB绳对小球的拉力为mg;

(2)OA绳对小球的拉力为2mg;

(3)作用力F为mg.

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