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- 2021-05-13 发布
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第3讲 牛顿运动定律的综合应用
1.[2020·江苏高考](多选)一人乘电梯上楼,在竖直上升过程中加速度a随时间t变化的图线如图所示,以竖直向上为a的正方向,则人对地板的压力( )
A.t=2 s时最大 B.t=2 s时最小
C.t=8.5 s时最大 D.t=8.5 s时最小
答案 AD
解析 当电梯有向上的加速度时,对人进行受力分析,人受重力和地板的支持力,由牛顿第二定律,得FN-mg=ma,则地板对人的支持力大于重力,向上的加速度越大,支持力则越大,由牛顿第三定律可得:人对地板的压力大于重力,向上的加速度越大,则人对地板的压力越大,因此t=2 s时,压力最大,同理,当电梯有向下的加速度时,人对地板的压力小于人的重力,向下的加速度越大,压力越小,因此t=8.5 s时压力最小,D项正确。
2.[2020·重庆高考]若货物随升降机运动的vt图象如图所示(竖直向上为正),则货物受到升降机的支持力F与时间t关系的图象可能是( )
答案 B
解析 由vt图象可知,有两段时间匀速运动,支持力等于重力,由牛顿第二定律F-mg=ma知,加速度为负时,处于失重状态,支持力小于重力,加速度为正时,处于超重状态,支持力大于重力,所以B项正确。
3.[2020·课标全国卷Ⅱ](多选)在一东西向的水平直铁轨上,停放着一列已用挂钩连接好的车厢。当机车在东边拉着这列车厢以大小为a的加速度向东行驶时,连接某两相邻车厢的挂钩P和Q间的拉力大小为F;当机车在西边拉着车厢以大小为a的加速度向西行驶时,P和Q间的拉力大小仍为F。不计车厢与铁轨间的摩擦,每节车厢质量相同,则这列车厢的节数可能为( )
A.8 B.10
C.15 D.18
答案 BC
解析
设每节车厢的质量为m,这列车厢的节数为n,东边车厢的节数为x,西边车厢的节数为n-x。当机车在东边拉车厢时,对西边车厢受力分析,由牛顿第二定律可得F=(n-x)ma;当机车在西边拉车厢时,对东边车厢受力分析,由牛顿第二定律可得F=max,联立可得n=x,x为3的倍数,则n为5的倍数,选项B、C正确,选项A、D错误。
4.[2020·衡水三调](多选)如图是汽车运送圆柱形工件的示意图。图中P、Q、N是固定在车体上的压力传感器,假设圆柱形工件表面光滑,汽车静止不动时Q传感器示数为零,P、N传感器示数不为零。当汽车向左匀加速启动过程中,P传感器示数为零而Q、N传感器示数不为零。已知sin15°=0.26,cos15°=0.97,tan15°=0.27,g=10 m/s2。则汽车向左匀加速启动的加速度可能为( )
A.4 m/s2 B.3 m/s2
C.2 m/s2 D.1 m/s2
答案 AB
解析 如图,当mgtan15°=ma即a=2.7 m/s2时只有N传感器有示数,若要Q传感器也有示数,需a>2.7 m/s2,故A、B正确,C、D错误。
5.[2020·课标全国卷Ⅰ]一长木板置于粗糙水平地面上,木板左端放置一小物块;在木板右方有一墙壁,木板右端与墙壁的距离为4.5 m,如图(a)所示。t=0时刻开始,小物块与木板一起以共同速度向右运动,直至t=1 s时木板与墙壁碰撞(碰撞时间极短)。碰撞前后木板速度大小不变,方向相反;运动过程中小物块始终未离开木板。已知碰撞后1
s时间内小物块的vt图线如图(b)所示。木板的质量是小物块质量的15倍,重力加速度大小g取10 m/s2。求:
(1)木板与地面间的动摩擦因数μ1及小物块与木板间的动摩擦因数μ2;
(2)木板的最小长度;
(3)木板右端离墙壁的最终距离。
答案 (1)μ1=0.1 μ2=0.4 (2)6.0 m (3)6.5 m
解析 (1)规定向右为正方向。木板与墙壁相碰前,小物块和木板一起向右做匀变速运动,设加速度为a1,小物块和木板的质量分别为m和M。由牛顿第二定律有
-μ1(m+M)g=(m+M)a1①
由题图(b)可知,木板与墙壁碰前瞬间的速度v1=4 m/s,由运动学公式得
v1=v0+a1t1②
s0=v0t1+a1t③
式中,t1=1 s,s0=4.5 m是木板碰前的位移,v0是小物块和木板开始运动时的速度。
联立①②③式和题给条件得μ1=0.1④
在木板与墙壁碰撞后,木板以-v1的初速度向左做匀变速运动,小物块以v1的初速度向右做匀变速运动。设小物块的加速度为a2,由牛顿第二定律有
-μ2mg=ma2⑤
由题图(b)可得a2=⑥
式中,t2=2 s, v2=0,联立⑤⑥式和题给条件得
μ2=0.4⑦
(2)设碰撞后木板的加速度为a3,经过时间Δt,木板和小物块刚好具有共同速度v3。由牛顿第二定律及运动学公式得μ2mg+μ1(M+m)g=Ma3⑧
v3=-v1+a3Δt⑨
v3=v1+a2Δt⑩
碰撞后至木板和小物块刚好达到共同速度的过程中,木板运动的位移为
s1=Δt⑪
小物块运动的位移为
s2=Δt⑫
小物块相对木板的位移为
Δs=s2-s1⑬
联立⑥⑧⑨⑩⑪⑫⑬式,并代入数值得
Δs=6.0 m⑭
因为运动过程中小物块没有脱离木板,所以木板的最小长度应为6.0 m。
(3)在小物块和木板具有共同速度后,两者向左做匀变速运动直至停止,设加速度为a4,此过程中小物块和木板运动的位移为s3,由牛顿第二定律及运动学公式得
μ1(m+M)g=(m+M)a4⑮
0-v=2a4s3⑯
碰后木板运动的位移为s=s1+s3⑰
联立⑥⑧⑨⑩⑪⑮⑯⑰式,并代入数值得s=-6.5 m⑱
木板右端离墙壁的最终距离为6.5 m。
6.[2020·湖南联考]
如图所示,有一条沿顺时针方向匀速传送的传送带,恒定速度v=4 m/s,传送带与水平面的夹角θ=37°,现将质量m=1 kg的小物块轻放在其底端(小物块可视作质点),与此同时,给小物块沿传送带方向向上的恒力F=8 N,经过一段时间,小物块上到了离地面高为h=2.4 m
的平台上。已知物块与传送带之间的动摩擦因数μ=0.5,(g取10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)。问:
(1)物块从传送带底端运动到平台上所用的时间?
(2)若在物块与传送带达到相同速度时,立即撤去恒力F,计算小物块还需经过多少时间离开传送带以及离开时的速度?
答案 (1)1.33 s (2)0.85 s 2.3 m/s
解析 (1)对物块受力分析可知,物块先是在恒力作用下沿传送带方向向上做初速为零的匀加速运动,直至速度达到传送带的速度,由牛顿第二定律:
F+μmgcos37°-mgsin37°=ma1,计算得:a1=6 m/s2
t1== s
x1== m
物块达到与传送带同速后,对物块受力分析发现,物块受的摩擦力的方向改向,因为F=8 N而下滑力和最大摩擦力之和为10 N。故不能相对斜面向上加速。故得:
a2=0
x=
t2== s
得t=t1+t2= s≈1.33 s
(2)若达到同速后撤去力F,对物块受力分析,因为mgsin37°>μmgcos37°,故减速上行
mgsin37°-μmgcos37°=ma3,得a3=2 m/s2
物块还需t′离开传送带,离开时的速度为vt,则:
x2=x-x1
v2-v=2a3x2,vt= m/s≈2.3 m/s
t′==0.85 s