- 用牛顿运动定律解决问题(二)
- 共11872题
如图所示,拉B物的轻绳与竖直方向成60°角,O为一定滑轮,物体A与B间用跨过定滑轮的细绳相连且均保持静止,已知B的重力为100N,水平地面对B的支持力为80N,绳和滑轮质量及摩擦均不计,试求:
(1)物体A的重力;
(2)地面对物体B的摩擦力大小.
(3)OC绳上的张力.
正确答案
解:对A、B分别进行受力分析如图,
则有对A:T=GA ①
对B:N+Tcos60°=GB②
f=Tsin60°③
解得:T=40N,即:GA=40N
水平方向:f=Tsin60°=40×≈34.6N
答:(1)物体A的重力为40N;
(2)物体B与地面间的摩擦力34.6N;
(3)OC绳上的张力为40N.
解析
解:对A、B分别进行受力分析如图,
则有对A:T=GA ①
对B:N+Tcos60°=GB②
f=Tsin60°③
解得:T=40N,即:GA=40N
水平方向:f=Tsin60°=40×≈34.6N
答:(1)物体A的重力为40N;
(2)物体B与地面间的摩擦力34.6N;
(3)OC绳上的张力为40N.
轻杆通过细绳和铰链固定在竖直的墙上,如图所示.细绳与水平轻杆的夹角θ=45°.如在A端挂上G=20N的重物,求细绳所受的拉力和轻杆受到的压力.
正确答案
解:以A点为研究对象,分析受力情况,A点受到重物的拉力F1、细绳的拉力T和OA杆的支持力F2.
由于重物静止,则有:F1=G=20N.
根据平衡条件得:
Tsinθ=F1;
Tcosθ=F2;
解得:T=F1=20
N,F2=F1=20N.
根据牛顿第三定律得:轻杆OA受到的压力F=F2=20N
答:细绳AB所受的拉力T为20N,杆OA受到的压力F的大小为20N.
解析
解:以A点为研究对象,分析受力情况,A点受到重物的拉力F1、细绳的拉力T和OA杆的支持力F2.
由于重物静止,则有:F1=G=20N.
根据平衡条件得:
Tsinθ=F1;
Tcosθ=F2;
解得:T=F1=20
N,F2=F1=20N.
根据牛顿第三定律得:轻杆OA受到的压力F=F2=20N
答:细绳AB所受的拉力T为20N,杆OA受到的压力F的大小为20N.
在冬天,雪灾天气造成输电线被厚厚的冰层包裹,使相邻两个铁塔间的拉力大大增加,导致铁塔被拉倒、压榻,电力设施被严重损毁,给当地群众的生产、生活造成了极大不便和巨大损失.当若干相同铁塔等高、等距时,可将之视为如图所示的结构模型,已知铁塔质量为m,相邻铁塔间输电线的长度为L,其单位长度的质量为m0,输电线靠近铁塔部分与竖直方向为θ角,已知冰的密度为ρ,设冰层均包裹在输电线上,且冰层的横截面为圆形,其半径为R.输电线的半径可忽略)
(1)每个铁塔塔尖所受的压力将比原来增大多少?
(2)被冰层包裹后,输电线在最高点,最低点所受的拉力大小分别为多少?
正确答案
解:(1)输电线冰层的体积V冰=πR2L
由对称关系可知,塔尖所受压力的增加值等于
一根导线上冰层的重力,即
△N=ρV冰g=πρR2Lg
(2)输电线与冰层的总质量M‘=m0L+πρR2Lg,
输电线受力如图甲所示.
由共点力的平衡条件,得2F1cosθ=m0Lg+πρR2Lg
输电线在最高点所受的拉力 F1=Lg
半根输电线的受力如图乙所示.
由共点力的平衡条件,得F2=F1sinθ
输电线在最低点所受的拉力F2=Lgtanθ.
答:(1)每个铁塔塔尖所受的压力将比原来增大πρR2Lg;
(2)被冰层包裹后,输电线在最高点所受的拉力大小为Lg;
最低点所受的拉力大小为Lgtanθ.
解析
解:(1)输电线冰层的体积V冰=πR2L
由对称关系可知,塔尖所受压力的增加值等于
一根导线上冰层的重力,即
△N=ρV冰g=πρR2Lg
(2)输电线与冰层的总质量M‘=m0L+πρR2Lg,
输电线受力如图甲所示.
由共点力的平衡条件,得2F1cosθ=m0Lg+πρR2Lg
输电线在最高点所受的拉力 F1=Lg
半根输电线的受力如图乙所示.
由共点力的平衡条件,得F2=F1sinθ
输电线在最低点所受的拉力F2=Lgtanθ.
答:(1)每个铁塔塔尖所受的压力将比原来增大πρR2Lg;
(2)被冰层包裹后,输电线在最高点所受的拉力大小为Lg;
最低点所受的拉力大小为Lgtanθ.
如图所示重为20N的物体.在水平力F的作用下静止在倾角为37°的光滑斜面上,求水平力F和斜面对物体的支持力N为多大?(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
解:对物体受力分析,如图所示:
根据共点力平衡条件,有:
F=mgtan37°=20×0.75=15N
N==
=25N
答:水平力F为15N,斜面对物体的支持力N为25N.
解析
解:对物体受力分析,如图所示:
根据共点力平衡条件,有:
F=mgtan37°=20×0.75=15N
N==
=25N
答:水平力F为15N,斜面对物体的支持力N为25N.
出门旅行时,在车站、机场等地有时会看见一些旅客推着行李箱,也有一些旅客拉着行李箱在地面上行走.为了解两种方式哪种省力,我们作以下假设:行李箱的总质量为m=10kg,g=10N/kg.拉力F1、推力F2与水平方向的夹角均为θ=37°(如图所示),行李箱与地面间的动摩擦因数为μ=0.2,两种情况下行李箱都在水平方向做匀速运动.试通过计算说明是拉箱子省力还是推箱子省力.(sin37°=0.6cos37°=0.8)
正确答案
解:对行李箱进行受力分析,并画出受力分析图.应用正交分解拉行李箱时,如图1:
F1cosθ=f1 …①
F1sinθ+FN1=mg…②
又f1=μFN1 …③
解之得:F1==21.7N…④
推行李箱时,如图2:
F2cosθ=f2…⑤
FN2=F2sinθ+mg…⑥
又f2=μFN2 …⑦
解之得:F2==29.4N…⑧
则F1<F2,即拉箱子时省力.
答:拉箱子省力.
解析
解:对行李箱进行受力分析,并画出受力分析图.应用正交分解拉行李箱时,如图1:
F1cosθ=f1 …①
F1sinθ+FN1=mg…②
又f1=μFN1 …③
解之得:F1==21.7N…④
推行李箱时,如图2:
F2cosθ=f2…⑤
FN2=F2sinθ+mg…⑥
又f2=μFN2 …⑦
解之得:F2==29.4N…⑧
则F1<F2,即拉箱子时省力.
答:拉箱子省力.
如图所示,A、B两物体叠放在水平地面上,已知A、B的质量分别为mA=10kg,mB=20kg,A、B之间以及B与地面之间的动摩擦因数均为μ=0.5,一轻绳一端系住物体A,另一端系于墙上,绳与竖直方向的夹角为37°,今欲用外力将物体B匀速向右拉出,求:水平力F的大小.(已知sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
解:A、B的受力分析如右图所示:
对A应用平衡条件,可得
FTsin 37°=Ff1=μFN1①
FTcos 37°+FN1=mAg ②
联立①、②两式可得:
FN1=60 N
Ff1=μFN1=30 N
对B用平衡条件,可得
F=F′f1+Ff2=F′f1+μFN2=Ff1+μ(FN1+mBg)=2Ff1+μmBg=160 N.
答:水平力F的大小为160N.
解析
解:A、B的受力分析如右图所示:
对A应用平衡条件,可得
FTsin 37°=Ff1=μFN1①
FTcos 37°+FN1=mAg ②
联立①、②两式可得:
FN1=60 N
Ff1=μFN1=30 N
对B用平衡条件,可得
F=F′f1+Ff2=F′f1+μFN2=Ff1+μ(FN1+mBg)=2Ff1+μmBg=160 N.
答:水平力F的大小为160N.
如图所示,小球被轻质细绳系住斜吊着放在静止的光滑斜面上,设小球质量为m=1kg,斜面倾角α=30°,细绳与竖直方向夹角θ=30°,斜面体的质量M=3m,置于粗糙水平面上.求:
(1)当斜面体静止时,细绳对小球拉力的大小?
(2)地面对斜面体的摩擦力?
(3)若地面对斜面体的最大静摩擦力等于地面对斜面体支持力的k倍,为了使整个系统始终处于静止状态,k值必须满足什么条件?
正确答案
解:(1)以小球为研究对象,受力分析如图:
F=mg
得:
(2)系统静止,以小球和斜面整体为研究对象,受力分析如图
方向水平向左
(3)系统静止,以小球和斜面整体为研究对象
地面对斜面体的支持力FN
可得:(M+m)g=FN+Tsin60°
由于:FN=35N
f≤kFN
得:k≥
答:(1)当斜面体静止时,细绳对小球拉力的大小为;
(2)地面对斜面体的摩擦力的大小为,方向水平向左;
(3)为了使整个系统始终处于静止状态,k值必须满足k≥.
解析
解:(1)以小球为研究对象,受力分析如图:
F=mg
得:
(2)系统静止,以小球和斜面整体为研究对象,受力分析如图
方向水平向左
(3)系统静止,以小球和斜面整体为研究对象
地面对斜面体的支持力FN
可得:(M+m)g=FN+Tsin60°
由于:FN=35N
f≤kFN
得:k≥
答:(1)当斜面体静止时,细绳对小球拉力的大小为;
(2)地面对斜面体的摩擦力的大小为,方向水平向左;
(3)为了使整个系统始终处于静止状态,k值必须满足k≥.
某校举行托乒乓球跑步比赛,赛道为水平直道,比赛距离为s.比赛时,某同学将球置于球拍中心,以大小为a的加速度从静止开始做匀加速直线运动,当速度达到v0时,再以v0做匀速直线运动跑至终点.整个过程中球一直保持在球拍中心不动.比赛中,该同学在匀速直线运动阶段保持球拍的倾角为θ0,如图所示.设球在运动中受到空气阻力大小与其速度大小成正比,方向与运动方向相反,不计球与球拍之间的摩擦,球的质量为m,重力加速度为g.
(1)求空气阻力大小与球速大小的比例系数k;
(2)在加速跑阶段,为使兵乓球相对球始终静止,需随时调整球拍倾角θ,求倾角θ随速度v变化的关系式;
(3)若该同学匀速跑阶段球拍的倾角比θ0大了β并保持不变,为保证到达终点前球不从球拍上距离中心为r的下边沿掉落,求β应满足的条件.此时球所受空气阻力可视为与球拍倾角为θ0时的一样.
正确答案
解:(1)在匀速运动阶段,有:mgtanθ0=kv0
得:k=
(2)加速阶段,设球拍对球的支持力为N′,有:
N′sinθ-kv=ma
N′cosθ=mg
得tanθ=tanθ0
(3)以速度v0匀速运动时,设空气阻力与重力的合力为F,有:F=
球拍倾角为θ0+β时,空气阻力与重力的合力不变,设球沿球拍面下滑的加速度大小为a′,有:
Fsinβ=ma′
设匀速跑阶段所用时间为t,有:t=
球不从球拍上掉落的条件为:a′t2≤r
得:sinβ≤
答:(1)空气阻力大小与球速大小的比例系数k为;
(2)在加速跑阶段球拍倾角θ随速度v变化的关系式为tanθ=tanθ0;
(3)β应满足的条件为sinβ≤.
解析
解:(1)在匀速运动阶段,有:mgtanθ0=kv0
得:k=
(2)加速阶段,设球拍对球的支持力为N′,有:
N′sinθ-kv=ma
N′cosθ=mg
得tanθ=tanθ0
(3)以速度v0匀速运动时,设空气阻力与重力的合力为F,有:F=
球拍倾角为θ0+β时,空气阻力与重力的合力不变,设球沿球拍面下滑的加速度大小为a′,有:
Fsinβ=ma′
设匀速跑阶段所用时间为t,有:t=
球不从球拍上掉落的条件为:a′t2≤r
得:sinβ≤
答:(1)空气阻力大小与球速大小的比例系数k为;
(2)在加速跑阶段球拍倾角θ随速度v变化的关系式为tanθ=tanθ0;
(3)β应满足的条件为sinβ≤.
举重运动员在抓举比赛中为了减小杠铃上升的高度和发力,抓杠铃的两手间要有较大的距离.某运动员成功抓举杠铃时,测得两手臂间的夹角为120°,运动员的质量为75kg,举起的杠铃的质量为125kg,如图所示.求该运动员每只手臂对杠铃的作用力的大小.(取g=10m/s2)(画受力分析图)
正确答案
解:以杠铃为研究对象,分析受力情况:重力mg和运动员两臂对杠铃的作用力F1和F2,作出力图如图:
根据平衡条件得:
F1sin60°=F2sin60°
F1cos60°+F2cos60°=mg
得到:F1=F2=mg=125×10=1250N
答:该运动员每只手臂对杠铃的作用力的大小均为1250N.
解析
解:以杠铃为研究对象,分析受力情况:重力mg和运动员两臂对杠铃的作用力F1和F2,作出力图如图:
根据平衡条件得:
F1sin60°=F2sin60°
F1cos60°+F2cos60°=mg
得到:F1=F2=mg=125×10=1250N
答:该运动员每只手臂对杠铃的作用力的大小均为1250N.
如图所示,一细绳跨过装在天花板上的滑轮,细绳的一端悬挂一质量为M的物体,另一端悬挂一载人的梯子,人的质量为m,系统处于平衡状态.不计摩擦及滑轮与细绳的质量,要使天花板受力为零,人应如何运动?
正确答案
解:最初人梯系统处于平衡状态,即:Mg=mg+m梯g
设人与梯子之间的相互作用力为F,人向上的加速度为a.若使天花板受力为零,重物应处于完全失重,即下落加速度为g,对梯子运用牛顿第二定律:
F-m梯g=m梯g
对人运用牛顿第二定律:
F+mg=ma
解得:a=g
故人应以g的加速度向下加速运动,才能使天花板受力为零.
答:要使天花板受力为零,人应以g的加速度向下加速运动.
解析
解:最初人梯系统处于平衡状态,即:Mg=mg+m梯g
设人与梯子之间的相互作用力为F,人向上的加速度为a.若使天花板受力为零,重物应处于完全失重,即下落加速度为g,对梯子运用牛顿第二定律:
F-m梯g=m梯g
对人运用牛顿第二定律:
F+mg=ma
解得:a=g
故人应以g的加速度向下加速运动,才能使天花板受力为零.
答:要使天花板受力为零,人应以g的加速度向下加速运动.
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