- 牛顿第二定律
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2014年9月9日下午,合肥工业大学2014级学生消防演练活动在翡翠湖校区举行.演习中有个“模拟营救被困人员”的项目,某消防员作为伤员在被救楼层等待营救,一名选手在消防队员的指导下,背起伤员沿安全绳由静止开始往地面滑行,经过3s时间安全落地,为了获得演习中的一些数据,以提高训练质量,研究人员测出了下滑过程中轻绳受到的拉力与伤员和选手总重力的比值随时间变化的情况如图所示,取g=10m/s2,求:
(1)伤员与选手下滑的最大速度的大小.
(2)伤员被救楼层距离地面的高度.
正确答案
解:(1)由图可知在t=1s时,速度最大,由牛顿第二运动定律得mg-F1=ma1
其中在0~1s内F1=0.6mg,
解得:a1=4m/s2
最大速度vm=a1t1=4×1=4m/s
(2)在第0~1s内选手与伤员运动距离x1=a
=
=2m
在1~2s内选手与伤员受力平衡,做匀速直线运动x2=vmt2=4×1=4m
在2~3s内由牛顿第二运动定律可得F2-mg=ma2
解得选手与伤员减速下滑的加速度大小为a2=2m/s2
在这段时间内下滑的末速度为vt=vm-a2t3=2m/s
减速下滑距离为x3==
=3m
伤员被救楼层距离地面的高度为:x=x1+x2+x3=9m
答:(1)伤员与选手下滑的最大速度的大小为4m/s.
(2)伤员被救楼层距离地面的高度为9m.
解析
解:(1)由图可知在t=1s时,速度最大,由牛顿第二运动定律得mg-F1=ma1
其中在0~1s内F1=0.6mg,
解得:a1=4m/s2
最大速度vm=a1t1=4×1=4m/s
(2)在第0~1s内选手与伤员运动距离x1=a
=
=2m
在1~2s内选手与伤员受力平衡,做匀速直线运动x2=vmt2=4×1=4m
在2~3s内由牛顿第二运动定律可得F2-mg=ma2
解得选手与伤员减速下滑的加速度大小为a2=2m/s2
在这段时间内下滑的末速度为vt=vm-a2t3=2m/s
减速下滑距离为x3==
=3m
伤员被救楼层距离地面的高度为:x=x1+x2+x3=9m
答:(1)伤员与选手下滑的最大速度的大小为4m/s.
(2)伤员被救楼层距离地面的高度为9m.
用40N的水平力F拉一个静止在光滑水平面上、质量为20kg的物体,力F作用3s后撤去,则第5s末物体的速度和加速度的大小分别是( )
正确答案
解析
解:根据牛顿第二定律得,a=,则v=at=6m/s.撤去外力后,做匀速直线运动,加速度为零,速度为6m/s.故A正确,B、C、D错误.
故选A.
在光滑水平面上,质量为5kg的物体同时受5个水平力作用,保持静止状态,当去掉向东的10N的水平力,经3s后物体的速度大小是______ m/s,位移大小是______m,方向______.
正确答案
6
9
向西
解析
解:当去掉向东的10N的水平力时,剩余的四个力的合力大小为10N,方向向西,
根据牛顿第二定律得:
a=,方向向西
所以3s后物体的速度大小是v=at=6m/s
位移大小x=,方向向西.
故答案为:6;9;向西
如图所示,在海滨游乐场里有一种滑沙运动.某人坐在滑板上从斜坡的高处A点由静止开始滑下,滑到斜坡底端B点后,沿水平的滑道再滑行一段距离到C点停下来.若人和滑板的总质量m=60kg,滑板与斜坡滑道和水平滑道间的动摩擦因数均为μ=0.50,斜坡的倾角θ=37°(sin37°=0.6,cos37°=0.8),斜坡与水平滑道间是平滑连接的,整个运动过程中空气阻力忽略不计,重力加速度g取10m/s2.求:
(1)人从斜坡上滑下的加速度为多大?
(2)若AB的长度为25m,人滑到B处时速度为多大?
(3)若AB的长度为25m,求BC的长度为多少?
正确答案
解:(1)人在斜面上受力如图所示,建立图示坐标系,设人在斜坡上滑下的加速度为a1,由牛顿第二定律有:
mgsinθ-Ff1=ma1
FN1-mgcosθ=0
又 Ff1=μFN1
联立解得:a1=g(sinθ-μcosθ)
代入数据得:a1=2.0 m/s2;
(2)人在斜坡上做匀加速直线运动,由=2a1sAB得
人滑到B点时:vB==
m/s=10m/s
在水平轨道上运动时,有-μmg=ma2
得 a2=-μg=-5m/s2
由 υc2-υB2=2a2sBC
则得 sBC==
m=10m;
答:
(1)人从斜坡上滑下的加速度为2.0 m/s2.
(2)若AB的长度为25m,人滑到B处时速度为10m/s.
(3)若AB的长度为25m,BC的长度为10m.
解析
解:(1)人在斜面上受力如图所示,建立图示坐标系,设人在斜坡上滑下的加速度为a1,由牛顿第二定律有:
mgsinθ-Ff1=ma1
FN1-mgcosθ=0
又 Ff1=μFN1
联立解得:a1=g(sinθ-μcosθ)
代入数据得:a1=2.0 m/s2;
(2)人在斜坡上做匀加速直线运动,由=2a1sAB得
人滑到B点时:vB==
m/s=10m/s
在水平轨道上运动时,有-μmg=ma2
得 a2=-μg=-5m/s2
由 υc2-υB2=2a2sBC
则得 sBC==
m=10m;
答:
(1)人从斜坡上滑下的加速度为2.0 m/s2.
(2)若AB的长度为25m,人滑到B处时速度为10m/s.
(3)若AB的长度为25m,BC的长度为10m.
趣味运动会上运动员手持球拍托着乒乓球向前跑,运动员先以加速度a匀加速向前跑,然后以速度v匀速向前跑,不计球与拍之间的摩擦,球与拍始终保持相对静止,设跑动过程中空气对球的作用力水平且恒力f,球的质量为m,拍面与水平方向的夹角为α,重力加速度为g,则( )
正确答案
解析
解:A、加速运动时,在竖直方向上有:Ncosα=mg,Nsinα-f=ma,联立两式解得tanα=,故A正确,B错误.
C、匀速匀速时,在竖直方向上有:Ncosα=mg,Nsinα=f,联立解得tan=,故C正确,D错误.
故选:AC.
如图所示,一平板车质量M=100千克,停在水平路面上,车身的平板离地面的高度h=1.25m,一质量m=50千克的小物块置于车的平板上,它到车尾端的距离b=1m,与车板间的动摩擦系数μ=0.20,今对平板车施一水平向右的恒力F=500N,使车向前行驶,结果物块从车板上滑落,取g=10m/s2.求:(不计路面与平板车间以及轮轴之间的摩擦)
(1)物块滑落前,平板车的加速度a1的大小;
(2)物块离开平板车时,车的速度v1和物块的速度v2的大小
(3)物块落地点到车尾的水平距离s.
正确答案
解:(1)设物块与车板间的摩擦力为f,则有
F-f=M a1
f=μmg
解得:a1=4 m/s2
(2)设车启动至物块离开车板经历的时间为t1,物块的加速度为a2,则
f=ma2
解得:a2=2 m/s2
a1t12-
a2t12=b
解得:t1=1 s
物块离开车板时刻,车和物块的速度分别
v1=a1t1=4m/s
v2=a2t1=2m/s
(3)物块离车板后作平抛运动,所经历的时间为t2,走过的水平距离为s2,则
s2=vt2
h=gt22
解之得:t2=0.5s s2=1m
在这段时间内车的加速度 a3==5 m/s2
车运动的距离s1=v1t2+a3t22=2.625m
s=s1-s2=1.625 m
答:(1)物块滑落前,平板车的加速度a1的大小为4 m/s2;
(2)物块离开平板车时,车的速度v1为4m/s,物块的速度v2的大小为2m/s;
(3)物块落地点到车尾的水平距离s为1.625 m.
解析
解:(1)设物块与车板间的摩擦力为f,则有
F-f=M a1
f=μmg
解得:a1=4 m/s2
(2)设车启动至物块离开车板经历的时间为t1,物块的加速度为a2,则
f=ma2
解得:a2=2 m/s2
a1t12-
a2t12=b
解得:t1=1 s
物块离开车板时刻,车和物块的速度分别
v1=a1t1=4m/s
v2=a2t1=2m/s
(3)物块离车板后作平抛运动,所经历的时间为t2,走过的水平距离为s2,则
s2=vt2
h=gt22
解之得:t2=0.5s s2=1m
在这段时间内车的加速度 a3==5 m/s2
车运动的距离s1=v1t2+a3t22=2.625m
s=s1-s2=1.625 m
答:(1)物块滑落前,平板车的加速度a1的大小为4 m/s2;
(2)物块离开平板车时,车的速度v1为4m/s,物块的速度v2的大小为2m/s;
(3)物块落地点到车尾的水平距离s为1.625 m.
质量1kg的物体在光滑水平面上运动,初速度大小为2m/s.在物体运动的直线上施加一个水平恒力,经过1s速度大小变为4m/s,则恒力的大小可能是( )
正确答案
解析
解:当1s后的速度方向与初速度方向相同,则加速度为:
a==
=2m/s2,
根据牛顿第二定律得:F=ma=1×2N=2N.
当1s后的速度方向与初速度方向相反,则加速度为:
a′==
=-6m/s2,负号表示方向,
根据牛顿第二定律得:F′=ma′=1×6N=6N.
故ACD错误,B正确.
故选:B.
如图1所示,1.2两细绳与水平车顶的夹角分别为30°和60°,物体质量为m,现让小车以2g(g为重力加速度)的加速度向右做匀加速直线运动,当物体与车保持相对静止时,求:绳1中弹力的大小?
下面是一位同学的解法
解:以物体m为研究对象,受力分析如图2,由牛顿第二定律得:
x:T1cos30°-T2cos60°=ma
y:T1sin30°+T2sin60°=mg
解得:T1=(+
)mg
你认为该同学的解法正确吗?如有错误请写出正确的解法.
正确答案
解:这是个临界问题,对物体受力分析,正交分解如右图:
当T2恰好为0时,绳1与车夹角为30°,则有: X方向:T1cos30°=ma0
Y方向:T1sin30°=mg
解得加速度:a0=
所以当a=2g,说明绳飘起来,绳1与水平方向夹角小于30°,T2=0
此时运用力的合成,如图所示有:
根据勾股定律得:
所以该同学解法错误
答:该同学解法错误,正确解法如上所述.
解析
解:这是个临界问题,对物体受力分析,正交分解如右图:
当T2恰好为0时,绳1与车夹角为30°,则有: X方向:T1cos30°=ma0
Y方向:T1sin30°=mg
解得加速度:a0=
所以当a=2g,说明绳飘起来,绳1与水平方向夹角小于30°,T2=0
此时运用力的合成,如图所示有:
根据勾股定律得:
所以该同学解法错误
答:该同学解法错误,正确解法如上所述.
如图所示,斜面倾角θ=37°,斜面长L=5m,斜面底端放有质量m=5kg的物体,物体与斜面间的动摩擦因数μ=0.25.现用水平F=100N去推物体,使之从静止开始物体沿斜面向上运动,沿斜面向上运动3m时将推力F撤去.(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
试求:①撤去推力F前物体的加速度?
②撤去推力F后物体的加速度?
③物体能否冲上顶端?
正确答案
解:①撤去推力F前对物体进行受力分析,如图所示:
沿斜面方向有:Fcosθ-mgsinθ-f=ma1垂直于斜面方向有:N-mgcosθ-Fsinθ=0
f=μN
代入数据解得:a1=5m/s2,方向沿斜面向上.
②撤去推力F后对物体进行受力分析,如图所示:
沿斜面方向有:mgsinθ+f=ma2垂直于斜面方向有:N-mgcosθ=0
f=μN
代入数据解得:a2=8m/s2,方向沿斜面向下
③匀加速上升过程中,根据位移速度公式得:
2a1x1=v2匀减速上升过程中,根据位移速度公式得:
2a2x2=v2解得:x2=
所以不能冲上顶端
答::①撤去推力F前物体的加速度为5m/s2,方向沿斜面向上;
②撤去推力F后物体的加速度大小为8m/s2,方向沿斜面向下;
③不能冲上顶端.
解析
解:①撤去推力F前对物体进行受力分析,如图所示:
沿斜面方向有:Fcosθ-mgsinθ-f=ma1垂直于斜面方向有:N-mgcosθ-Fsinθ=0
f=μN
代入数据解得:a1=5m/s2,方向沿斜面向上.
②撤去推力F后对物体进行受力分析,如图所示:
沿斜面方向有:mgsinθ+f=ma2垂直于斜面方向有:N-mgcosθ=0
f=μN
代入数据解得:a2=8m/s2,方向沿斜面向下
③匀加速上升过程中,根据位移速度公式得:
2a1x1=v2匀减速上升过程中,根据位移速度公式得:
2a2x2=v2解得:x2=
所以不能冲上顶端
答::①撤去推力F前物体的加速度为5m/s2,方向沿斜面向上;
②撤去推力F后物体的加速度大小为8m/s2,方向沿斜面向下;
③不能冲上顶端.
如图甲所示,某人正通过定滑轮将质量为m的货物提升到高处.滑轮的质量和摩擦均不计,货物获得的加速度a与绳子对货物竖直向上的拉力Fr之间的关系如图乙所示.g表示当地的重力加速度,由图可以判断( )
正确答案
解析
解:对货物受力分析,受重力mg和拉力T,根据牛顿第二定律,有
T-mg=ma
a=-g
A、当T=0时,a=-g,即图线与纵轴的交点M的值aM=-g,故A正确;
B、当a=0时,T=mg,故图线与横轴的交点N的值Fr=mg,故B正确;
CD、图线的斜率表示质量的倒数,故C错误,D正确.
故选:ABD
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