• 用牛顿运动定律解决问题(二)
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简答题

如图所示,质量40kg的物体在水平推力F=400N的作用下,沿倾角30°斜面匀速向上滑动.取g=10m/s2,求

(1)物体对斜面的压力.

(2)物体与斜面间的动摩擦因数.

正确答案

解:(1)分析物体受力,作出力图如图,根据受力平衡,有

  Fcos30°-f-mgsin30°=0

  N-Fsin30°-mgcos30°=0

代入数据可以得

f=200()N=146N

由牛顿第三定律,物体对斜面的压力等于支持力,即为546N.

(2)因为f=μN,所以

答:

(1)物体对斜面的压力为546N.

(2)物体与斜面间的动摩擦因数为0.27

解析

解:(1)分析物体受力,作出力图如图,根据受力平衡,有

  Fcos30°-f-mgsin30°=0

  N-Fsin30°-mgcos30°=0

代入数据可以得

f=200()N=146N

由牛顿第三定律,物体对斜面的压力等于支持力,即为546N.

(2)因为f=μN,所以

答:

(1)物体对斜面的压力为546N.

(2)物体与斜面间的动摩擦因数为0.27

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简答题

有一种圆珠笔,内部有一根小弹簧.如图所示,当笔杆竖直放置时,在圆珠笔尾部的按钮上放一个200g的砝码,砝码静止时,弹簧压缩量为2mm.现用这支圆珠笔水平推一本放在桌面上质量为800g的书,当按钮压缩量为2.4mm(未超过弹簧的弹性限度)时,这本书恰好匀速运动.( g取10m/s2)试求:

(1)笔内小弹簧的劲度系数;

(2)书与桌面间的动摩擦因数大小.

正确答案

解:(1)由于砝码处于静止,则k△x=mg

所以有:k===1000N/m

(2)要使书恰好能匀速运动,则k△x′=μmg

得:μ===0.3

答:(1)笔内小弹簧的劲度系数1000N/m;

(2)书与桌面间的动摩擦因数大小为0.3.

解析

解:(1)由于砝码处于静止,则k△x=mg

所以有:k===1000N/m

(2)要使书恰好能匀速运动,则k△x′=μmg

得:μ===0.3

答:(1)笔内小弹簧的劲度系数1000N/m;

(2)书与桌面间的动摩擦因数大小为0.3.

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简答题

风筝(图甲)借助于均匀的风对其作用力和牵线对其拉力的作用,才得以在空中处于平衡状态.如图乙所示,风筝平面AB与地面夹角为30°,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相垂直,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,一个重为100N的小球被夹在竖直的墙壁和A点之间,已知球心O与A点的连线与竖直方向成θ角,且θ=60°,所有接触点和面均不计摩擦.试求小球对墙面对A点压力.

正确答案

解:受力分析如图,将重力分解,

小球对墙面的压力:F1=F1′=mgtan60°=100N

小球对A点的压力:F2=F2′==200N;

答:小球对A点的压力为200N.

解析

解:受力分析如图,将重力分解,

小球对墙面的压力:F1=F1′=mgtan60°=100N

小球对A点的压力:F2=F2′==200N;

答:小球对A点的压力为200N.

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半径为R光滑球恰好放在木块的圆槽中,OA与水平成θ角,圆球质量为m,木块质量为M,不计摩擦,求:人手至少用多大恒力F垂直向下拉木块B端,球才可离槽?

正确答案

解:以球为研究对象:当球刚要离开槽时,小球受到重力mg和A点的支持力N,受力如图.

根据牛顿第二定律得:

mgcotθ=ma

得:a=gcotθ

再对小球和槽组成的整体研究,得到:

F=(M+m)a=(M+m)gcotθ

答:人手至少用(M+m)gcotθ的恒力F垂直向下拉木块B端,球才可离槽.

解析

解:以球为研究对象:当球刚要离开槽时,小球受到重力mg和A点的支持力N,受力如图.

根据牛顿第二定律得:

mgcotθ=ma

得:a=gcotθ

再对小球和槽组成的整体研究,得到:

F=(M+m)a=(M+m)gcotθ

答:人手至少用(M+m)gcotθ的恒力F垂直向下拉木块B端,球才可离槽.

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简答题

电子所带电量最早是由美国科学家密立根通过油滴实验测出的.油滴实验的原理如下图所示,两块水平放置的平行金属板与电源连接,上、下板分别带正、负电荷.油滴从喷雾器喷出后,由于摩擦而带电,油滴进入上板中央小孔后落到匀强电场中,通过显微镜可以观察到油滴的运动情况.两金属板间的距离为d,忽略空气对油滴的浮力和阻力.

(1)调节两金属板间的电势差U,当u=Uo时,使得某个质量为ml的油滴恰好做匀速运动.该油滴所带电荷量q为多少?

(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略,当两金属板间的电势差u=U时,观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动,经过时间t运动到下极板.若此油滴所带的电量的电性与(1)相同,求此油滴所带电荷量Q.

正确答案

解:(1)油滴匀速下落过程中受到电场力和重力平衡,此时油滴所带的电量为负电荷.

由二力平衡关系可得:

由①式可得:

(3)油滴加速下落,由(1)可知该油滴带负电,此进它受到的电场力向,设此时的加速度大小为a1,由牛顿第二定律可得:

由运动学公式可得:

由③④二式可得:

答:(1)该油滴所带电荷量q为

(2)此油滴所带电荷量Q为

解析

解:(1)油滴匀速下落过程中受到电场力和重力平衡,此时油滴所带的电量为负电荷.

由二力平衡关系可得:

由①式可得:

(3)油滴加速下落,由(1)可知该油滴带负电,此进它受到的电场力向,设此时的加速度大小为a1,由牛顿第二定律可得:

由运动学公式可得:

由③④二式可得:

答:(1)该油滴所带电荷量q为

(2)此油滴所带电荷量Q为

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简答题

如图所示,质量为m的物体,放在一固定斜面上,当斜面倾角为30°时恰能沿斜面匀速下滑.对物体施加一大小为F的水平向右的恒力,物体可沿斜面匀速向上滑行.试求:

(1)画出施加F后物体的受力图;

(2)物体与斜面间的动摩擦因数;

(3)F的大小.

正确答案

解:(1)施加力F后,物体受推力、重力、支持力、摩擦力,如图所示:

(2)物体匀速下滑时,受力如下图所示:

根据平衡条件得:

mgsin30°=f1

N1=mgcos30°

又 f1=μN1

所以μ=tan30°=

(3)物体沿斜面匀速上升,受力如图所示:

根据平衡条件,沿斜面方向:Fcos30°=mgsin30°+f2

垂直于斜面方向:N2=mgcos30°+Fsin30°

又:f2=μN2

联立得:

F== mg

答:(1)如图所示;

(2)物体与斜面间的动摩擦因数μ为

(3)水平恒力F的大小为 mg.

解析

解:(1)施加力F后,物体受推力、重力、支持力、摩擦力,如图所示:

(2)物体匀速下滑时,受力如下图所示:

根据平衡条件得:

mgsin30°=f1

N1=mgcos30°

又 f1=μN1

所以μ=tan30°=

(3)物体沿斜面匀速上升,受力如图所示:

根据平衡条件,沿斜面方向:Fcos30°=mgsin30°+f2

垂直于斜面方向:N2=mgcos30°+Fsin30°

又:f2=μN2

联立得:

F== mg

答:(1)如图所示;

(2)物体与斜面间的动摩擦因数μ为

(3)水平恒力F的大小为 mg.

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简答题

如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图,P为金属球,悬挂在一细长金属丝上面,O是悬挂点,R0是保护电阻,CD是水平放置的光滑电阻丝,与细金属丝始终保持良好的接触.无风时细金属丝与电阻丝在C点接触,此时电路中电流I0,有风时金属丝将偏转一角度,角θ与风力大小有关,已知风力方向水平向左,OC=h,CD=L,球质量为m,电阻丝单位长度电阻为k,电源内阻和金属丝电阻均不计,金属丝偏转θ角时,电流表示数为I′,此时风力大小为F.试写出:

(1)风力大小F与θ的关系式;

(2)风力大小F与电流表示数I′的关系式.

正确答案

解:(1)有风时,对金属球P,受重力mg、风力F、金属丝拉力F1,如图.由平衡条件得:F=F1sinθ,

mg=F1cosθ,即F=mgtanθ.

(2)无风时,电源电压U=I0(R0+kL);有风时,电阻丝电阻R0′=k(L-htanθ),此时,U=I′(R0+R0′)

由以上三式解得tanθ=

代入F=mgtanθ

得F=(I′-I0)(R0+kL).

答:(1)F与θ的关系式为F=mgtanθ;

(2)F与I′的关系式为F=(I′-I0)(R0+kL).

解析

解:(1)有风时,对金属球P,受重力mg、风力F、金属丝拉力F1,如图.由平衡条件得:F=F1sinθ,

mg=F1cosθ,即F=mgtanθ.

(2)无风时,电源电压U=I0(R0+kL);有风时,电阻丝电阻R0′=k(L-htanθ),此时,U=I′(R0+R0′)

由以上三式解得tanθ=

代入F=mgtanθ

得F=(I′-I0)(R0+kL).

答:(1)F与θ的关系式为F=mgtanθ;

(2)F与I′的关系式为F=(I′-I0)(R0+kL).

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简答题

如图所示将重为G的物体A放在倾角为37°的斜面上,A与斜面间的摩擦因数为0.1,那么对A施加一个可能多大的水平力,可使A物体保持静止状态?(设A物体受到的最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等,sin37°=0.6  cos37°=0.8)

正确答案

解:当物体A有沿着斜面向上运动的趋势时,其受力如图甲所示.

沿着斜面、垂直斜面建立坐标系,由平衡条件得:

在x轴上:Fcosα-f=Gsinα      ①

在y轴上:FN=Gcosα+Fsinα      ②

摩擦力:fm=μFN

由以上三式解得:F=0.72G

当物体A有沿着斜面向下运动的趋势时,其受力如图乙所示.

在x轴上:Fcosα+f=Gsinα   ④

在y轴上:FN=Gcosα+Fsinα  ⑤

摩擦力:fm=μFN

由④⑤⑥得作用力:F=0.45G

综上,水平力F的取值范围为:0.45G≤F≤0.72G.

答:对A施加一个水平力在范围:0.45G≤F≤0.72G,可使A物体保持静止状态.

解析

解:当物体A有沿着斜面向上运动的趋势时,其受力如图甲所示.

沿着斜面、垂直斜面建立坐标系,由平衡条件得:

在x轴上:Fcosα-f=Gsinα      ①

在y轴上:FN=Gcosα+Fsinα      ②

摩擦力:fm=μFN

由以上三式解得:F=0.72G

当物体A有沿着斜面向下运动的趋势时,其受力如图乙所示.

在x轴上:Fcosα+f=Gsinα   ④

在y轴上:FN=Gcosα+Fsinα  ⑤

摩擦力:fm=μFN

由④⑤⑥得作用力:F=0.45G

综上,水平力F的取值范围为:0.45G≤F≤0.72G.

答:对A施加一个水平力在范围:0.45G≤F≤0.72G,可使A物体保持静止状态.

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简答题

如图所示,竖直平面内放一直角杆,杆的水平部分粗糙,竖直部分光滑,两部分各套有质量分别为mA=2.0kg和mB=1.0kg的小球A和B,A球与水平杆间动摩擦因数μ=0.20,A,B间用不可伸长的轻绳相连,图示位置处OA=1.5m,OB=2.0m,g取10m/s2.(1)若用水平力F沿杆向右拉A,使A由图示位置向右极缓慢地移动0.5m,则该过程中拉力F1作了多少功?

(2)若用水平力F2沿杆向右拉A,使B以1m/s的速度匀速上升,则在B经过图示位置上升0.5m的过程中,拉力F2做了多少功?

正确答案

解:(1)对AB整体受力分析,受拉力F、重力G、支持力N、向左的摩擦力f和向右的弹力N1,如图

根据共点力平衡条件,有

竖直方向:N=G1+G2

水平方向:F1=f+N1

其中:f=μN

解得

N=(m1+m2)g=30N

f=μN=0.2×30N=6N

对整体在整个运动过程中运用动能定理列式,得到

WF-fs-m2g•h=0

根据几何关系,可知求B上升距离h=0.5m

故拉力F1作功WF=fs+m2g•h=6×0.5J+1×10×0.5J=8J.

(2)设细绳与竖直杆的夹角为θ,由于绳子不可伸长,则有vBcosθ=vAsinθ,

得到B上升0.5m过程A的初速度为vA1=vBcotθ1=m/s,末速度为vA2=vBcotθ2=m/s

由动能定理得WF-fs-m2g•h=-

解得,WF=6.8J.

答:(1)力F1作功为8J.

(2)力F2作功为6.8J.

解析

解:(1)对AB整体受力分析,受拉力F、重力G、支持力N、向左的摩擦力f和向右的弹力N1,如图

根据共点力平衡条件,有

竖直方向:N=G1+G2

水平方向:F1=f+N1

其中:f=μN

解得

N=(m1+m2)g=30N

f=μN=0.2×30N=6N

对整体在整个运动过程中运用动能定理列式,得到

WF-fs-m2g•h=0

根据几何关系,可知求B上升距离h=0.5m

故拉力F1作功WF=fs+m2g•h=6×0.5J+1×10×0.5J=8J.

(2)设细绳与竖直杆的夹角为θ,由于绳子不可伸长,则有vBcosθ=vAsinθ,

得到B上升0.5m过程A的初速度为vA1=vBcotθ1=m/s,末速度为vA2=vBcotθ2=m/s

由动能定理得WF-fs-m2g•h=-

解得,WF=6.8J.

答:(1)力F1作功为8J.

(2)力F2作功为6.8J.

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