• 用牛顿运动定律解决问题(二)
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简答题

如图所示,在某楼梯下面的三角形空间放置着甲,乙两个物体,甲是一个直角三角形物块,他的一个锐角为α,乙是一个圆筒.楼梯面AC与水平面夹角为β.甲乙与楼梯间的墙壁AB,地面BC以及楼梯面AC相互紧紧挤压在一起.甲和乙重力均为G,所有接触面之间的摩擦均不及,求:

(1)甲对乙以及甲对墙壁AB的压力大小;

(2)楼梯面AC对乙的压力以及乙对地面BC的压力大小.

正确答案

解:(1)对甲受力分析,受重力、墙壁对甲的弹力和圆筒对甲的弹力,三力平衡,如图所示:

根据平衡条件,有:

F1=

F2=

根据牛顿第三定律,甲对乙的压力为

(2)对圆筒乙受力分析,受重力、甲对乙的压力,AB面对乙的压力,支持力,如图所示:

根据平衡条件,有:

水平方向:F1cosα=F3sinβ

竖直方向:N=G+F1sinα+F3cosβ

解得:

N=G+Gsinα+

F3=

根据牛顿第三定律,乙对地面BC的压力大小为G+Gsinα+

答:(1)甲对乙的压力为,甲对墙壁AB的压力大小为

(2)楼梯面AC对乙的压力为,乙对地面BC的压力大小为G+Gsinα+

解析

解:(1)对甲受力分析,受重力、墙壁对甲的弹力和圆筒对甲的弹力,三力平衡,如图所示:

根据平衡条件,有:

F1=

F2=

根据牛顿第三定律,甲对乙的压力为

(2)对圆筒乙受力分析,受重力、甲对乙的压力,AB面对乙的压力,支持力,如图所示:

根据平衡条件,有:

水平方向:F1cosα=F3sinβ

竖直方向:N=G+F1sinα+F3cosβ

解得:

N=G+Gsinα+

F3=

根据牛顿第三定律,乙对地面BC的压力大小为G+Gsinα+

答:(1)甲对乙的压力为,甲对墙壁AB的压力大小为

(2)楼梯面AC对乙的压力为,乙对地面BC的压力大小为G+Gsinα+

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(2015秋•泉州校级期末)如图所示,质量为15kg的物体用两根细绳AO、BO吊挂在天花板下处于平衡状态,两根绳子与竖直方向的夹角分别为37°、53°.求两绳的拉力大小(g取10m/s2

正确答案

解:将重物对C点的拉力按照作用效果分解,如图所示:

解得:

F1=Gcos37°=0.8mg=0.8×150N=120N

F2=Gsin37°=0.6mg=0.6×150N=90N

答:AC绳子的拉力为120N,BC绳子的拉力为90N.

解析

解:将重物对C点的拉力按照作用效果分解,如图所示:

解得:

F1=Gcos37°=0.8mg=0.8×150N=120N

F2=Gsin37°=0.6mg=0.6×150N=90N

答:AC绳子的拉力为120N,BC绳子的拉力为90N.

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图中氢气球重为10N,空气对它的浮力为16N.由于受到水平向左的风力的作用,使系气球的绳子与地面成60°,试求:

(1)绳子的拉力.

(2)水平风力的大小.

正确答案

解:对氢气球受力分析如图所示,将绳子的拉力正交分解:

由平衡条件得,

水平方向:F=Fcos60°   …(1)

竖直方向:F=Fsin60°+mg…(2)

由(1)(2)联立得:F=4N,F=2N.

答:(1)绳子的拉力为4N.

(2)水平风力的大小为2N.

解析

解:对氢气球受力分析如图所示,将绳子的拉力正交分解:

由平衡条件得,

水平方向:F=Fcos60°   …(1)

竖直方向:F=Fsin60°+mg…(2)

由(1)(2)联立得:F=4N,F=2N.

答:(1)绳子的拉力为4N.

(2)水平风力的大小为2N.

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如图所示,小车静止在平直路面上,车中挂着一个质量为m=2kg的小球,绳AC与水平车顶的夹角θ=53°,绳子BC水平,重力加速度g取10m/s2,cos53°=0.6,sin53°=0.8.求:

(1)小车静止时绳AC和BC受到的拉力大小;

(2)某时刻起,小车开始向左做匀加速直线运动,当加速度大小为10m/s2时,AC、BC受到的拉力大小和方向.

正确答案

解:(1)小车静止时,FACsin53°=mg

FACcos53°=FBC

绳子AC受到的拉力为:FAC===25N;

绳子BC受到的拉力为:FBC=FACcos53°=25×0.6=15N

(2)令 BC绳拉力为零时,小车的加速度为a0,则:

FACsin53°=mg

FACcos53°=ma0

解得:a0=7.5m/s2

a>a0

FBC=0  此时BC绳松弛,设AC绳与水平方向夹角α

FACsinα=mg

FACcosα=ma

解得:FAC=20N=28.3N

α=45° 即绳与水平方向夹角为45°

所以:FBC=0,FAC=20N=28.3N,与水平方向夹角为45°

答:小车静止时绳AC和BC受到的拉力大小分别为25N和15N;

(2)当加速度大小为10m/s2时,FBC=0,FAC=20N=28.3N,与水平方向夹角为45°

解析

解:(1)小车静止时,FACsin53°=mg

FACcos53°=FBC

绳子AC受到的拉力为:FAC===25N;

绳子BC受到的拉力为:FBC=FACcos53°=25×0.6=15N

(2)令 BC绳拉力为零时,小车的加速度为a0,则:

FACsin53°=mg

FACcos53°=ma0

解得:a0=7.5m/s2

a>a0

FBC=0  此时BC绳松弛,设AC绳与水平方向夹角α

FACsinα=mg

FACcosα=ma

解得:FAC=20N=28.3N

α=45° 即绳与水平方向夹角为45°

所以:FBC=0,FAC=20N=28.3N,与水平方向夹角为45°

答:小车静止时绳AC和BC受到的拉力大小分别为25N和15N;

(2)当加速度大小为10m/s2时,FBC=0,FAC=20N=28.3N,与水平方向夹角为45°

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在电视节目中我们常常能看到一种精彩的水上运动--滑水板,如图所示,运动员在快艇的水平牵引力作用下,脚踏倾斜滑板在水上匀速滑行,设滑板是光滑的,若运动员与滑板的总质量为m=70Kg,滑板的总面积为S=0.12m2,水的密度为ρ=1.0×103kg/m3.理论研究表明:当滑板与水平方向的夹角为θ(板前端抬起的角度)时,水对板的作用力的大小为N=ρSv2sin2θ,方向垂直于板面.式中v为快艇的牵引速度,S为滑板的滑水面积.求:为使滑板能在水面上滑行,快艇水平牵引滑板的最小速度(水对滑板的阻力忽略不计).(提示:abx≤(3

正确答案

解:滑板和运动员受重力mg、水对滑板的弹力N,绳子的拉力F,不计水的阻力,根据物体的平衡有:

Ncosθ-mg=0

又根据题设条件,N=ρSv2sin2θ,可得牵引的速度v=

在mg、ρ、S一定的条件下,v是θ的函数,当θ取一定值时,v有最小值.

设y=sin2θcosθ,则当y有最大值时,v有最小值.

由于abc≤(3,故:

y==

代入速度表达式中,最小速度v===3.8m/s.

答:快艇水平牵引滑板的最小速度为3.8m/s.

解析

解:滑板和运动员受重力mg、水对滑板的弹力N,绳子的拉力F,不计水的阻力,根据物体的平衡有:

Ncosθ-mg=0

又根据题设条件,N=ρSv2sin2θ,可得牵引的速度v=

在mg、ρ、S一定的条件下,v是θ的函数,当θ取一定值时,v有最小值.

设y=sin2θcosθ,则当y有最大值时,v有最小值.

由于abc≤(3,故:

y==

代入速度表达式中,最小速度v===3.8m/s.

答:快艇水平牵引滑板的最小速度为3.8m/s.

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(2015秋•漳州期末)春节快到了,为增添节日的气氛,很多公园和街道挂上了红灯笼,如图所示一灯笼在水平风力的吹动下发生倾斜,悬绳与竖直方向的夹角为30°,设红灯笼的质量为m,重力加速度为g,绳子质量不计.则当灯笼静止在图示位置时,求:

(1)灯笼对绳子的拉力T′大小;

(2)水平风力F大小.

正确答案

解:灯笼处于静止状态,受力平衡,对灯笼受力分析,如图所示:

根据平衡条件得:

Tcos30°=mg,

Tsin30°=F,

解得:T=,F=

根据牛顿第三定律可知,灯笼对绳子的拉力为:

T′=T=

答:(1)灯笼对绳子的拉力T′大小为

(2)水平风力F大小为

解析

解:灯笼处于静止状态,受力平衡,对灯笼受力分析,如图所示:

根据平衡条件得:

Tcos30°=mg,

Tsin30°=F,

解得:T=,F=

根据牛顿第三定律可知,灯笼对绳子的拉力为:

T′=T=

答:(1)灯笼对绳子的拉力T′大小为

(2)水平风力F大小为

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(2015秋•宣城期末)超市一送水员用双轮小车运送一桶与水共重20千克的桶装矿泉水,如图所示,在拉运过程中保持图示角度不变,不计桶与小车之间摩擦力.求:

(1)小车静止时,小车两侧轨道所受压力大小

(2)若送货员以5m/s2的恒定加速度由静止开始向右拉动小车的过程中,小车两侧轨道所受压力大小.

正确答案

解:(1)对桶进行受力分析,如图所示:

根据共点力平衡条件,有:

根据牛顿第三定律,A侧压力为100N,B侧压力为100N;

(2)加速度向右,根据牛顿第二定律,有:

竖直方向:mg=NAcos30°+NBcos60°

水平方向:NAsin30°-NBsin60°=ma

联立解得:

NA=(100)N=123N

NB=(50+100)N=186.5N

根据牛顿第三定律,A侧压力为123N,B侧压力为186.5N;

答:(1)小车静止时,小车A侧压力为100N,B侧压力为100N;

(2)若送货员以5m/s2的恒定加速度由静止开始向右拉动小车的过程中,小车A侧压力为123N,B侧压力为186.5N.

解析

解:(1)对桶进行受力分析,如图所示:

根据共点力平衡条件,有:

根据牛顿第三定律,A侧压力为100N,B侧压力为100N;

(2)加速度向右,根据牛顿第二定律,有:

竖直方向:mg=NAcos30°+NBcos60°

水平方向:NAsin30°-NBsin60°=ma

联立解得:

NA=(100)N=123N

NB=(50+100)N=186.5N

根据牛顿第三定律,A侧压力为123N,B侧压力为186.5N;

答:(1)小车静止时,小车A侧压力为100N,B侧压力为100N;

(2)若送货员以5m/s2的恒定加速度由静止开始向右拉动小车的过程中,小车A侧压力为123N,B侧压力为186.5N.

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(2015秋•洛阳校级月考)在托乒乓球跑步比赛时,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.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,设整个过程中球一直保持在球拍中心不动,球在运动中受到的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.求

(1)空气阻力大小与球速大小的比例系数k;

(2)在加速跑阶段球拍倾角θ随速度v变化的关系式.

正确答案

解:

(1)在匀速运动阶段,有mgtanθ0=kv

解得: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

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

解析

解:

(1)在匀速运动阶段,有mgtanθ0=kv

解得: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

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

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如图所示,一个重10N的光滑小球被一根细绳挂在竖直墙壁上的A点,绳子和墙壁的夹角θ为37°,取cos37°=0.8,sin37°=0.6.求:

(1)画出小球的受力示意图;

(2)绳子对重球的拉力T的大小;

(3)墙壁对重球的支持力N的大小.

正确答案

解:(1)如图所示,重球受到重力G,绳子的拉力T,墙壁的支持力N,力的示意图如图;

(2)据共点力的平衡条件有:

绳子对重球的拉力:T==N=12.5N

(3)墙壁对重球的支持力:N=Gtan37°=10×N=7.5 N

答:(1)受力示意图如图所示;

(2)绳子对重球的拉力12.5N;

(2)墙壁对重球的支持力7.5 N.

解析

解:(1)如图所示,重球受到重力G,绳子的拉力T,墙壁的支持力N,力的示意图如图;

(2)据共点力的平衡条件有:

绳子对重球的拉力:T==N=12.5N

(3)墙壁对重球的支持力:N=Gtan37°=10×N=7.5 N

答:(1)受力示意图如图所示;

(2)绳子对重球的拉力12.5N;

(2)墙壁对重球的支持力7.5 N.

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如图所示,质量为m=5.0kg的物体P静止在粗糙水平面上,与水平面间的动摩擦因数为

μ=0.50,现用与水平方向成θ=37°、大小为20N的恒力F拉物体,若物体与地面的最大静摩擦力等于滑动摩擦力.求物体P此后所受的摩擦力的大小.(取sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2

正确答案

解:对物体受力分析,物体静止,合力为零,根据平衡条件可得

在竖直方向:Fsinθ+N-mg=0  

则得  N=mg-Fsinθ=50-20×sin37°=38N             

物体与地面之间的最大静摩擦力为 fmax=μN=0.5×38N=19N        

在水平方向:Fcosθ=20×0.8N=16N<fmax

所以物体会静止不动,物体所受的是静摩擦力

此时物体与地面的摩擦力由二力平衡得  f=Fcosθ=16N   

答:物体P此后所受的摩擦力的大小是16N.

解析

解:对物体受力分析,物体静止,合力为零,根据平衡条件可得

在竖直方向:Fsinθ+N-mg=0  

则得  N=mg-Fsinθ=50-20×sin37°=38N             

物体与地面之间的最大静摩擦力为 fmax=μN=0.5×38N=19N        

在水平方向:Fcosθ=20×0.8N=16N<fmax

所以物体会静止不动,物体所受的是静摩擦力

此时物体与地面的摩擦力由二力平衡得  f=Fcosθ=16N   

答:物体P此后所受的摩擦力的大小是16N.

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