教師版牛頓運動定律經典臨界問題

2022-04-28 05:27:05 字數 4793 閱讀 4165

1.如圖所示,質量為m的木板上放著一質量為m的木塊,木塊與木板間的動摩擦因數為μ1,木板與水平地面間的動摩擦因數為μ2,加在小板上的力f為多大,才能將木板從木塊下抽出?

>(μ1+μ2)(m+m)g

2.如圖所示,小車上放著由輕彈簧連線的質量為ma=1kg,mb=0.5kg的a、b兩物體,兩物體與小車間的最大靜摩擦力分別為4n和1n,彈簧的勁度係數k=0.2n/cm 。

①為保證兩物體隨車一起向右加速運動,彈簧的最大伸長是多少厘公尺?

②為使兩物體隨車一起向右以最大的加速度向右加速運動,彈簧的伸長是多少厘公尺?

2.(1) 為保證兩物體隨車一起向右加速運動,且彈簧的伸長量最大,a、b兩物體所受靜摩擦力應達到最大,方向分別向右、向左。

對a、b作為整體應用牛頓第二定律

(3分) 對a應用牛頓第二定律

x = 0.1m

(2) 為使兩物體隨車一起向右以最大的加速度向右加速運動, a、b兩物體所受靜摩擦力應達到最大,方向均向右。

對a、b作為整體應用牛頓第二定律

對a應用牛頓第二定律

x = 3.33cm

3.乙個質量為0.2 kg的小球用細線吊在傾角θ=53°的斜面頂端,如圖4,斜面靜止時,球緊靠在斜面上,繩與斜面平行,不計摩擦,當斜面以10 m/s2的加速度向右做加速運動時,求繩的拉力及斜面對小球的彈力.

3.解題方法與技巧:當加速度a較小時,小球與斜面體一起運動,此時小球受重力、繩拉力和斜面的支援力作用,繩平行於斜面,當加速度a足夠大時,小球將「飛離」斜面,此時小球受重力

和繩的拉力作用,繩與水平方向的夾角未知,題目中要求a=10 m/s2時繩的拉力及斜面的支援力,必須先求出小球離開斜面的臨界加速度a0.(此時,小球所受斜面支援力恰好為零)

由mgcotθ=ma0

所以a0=gcotθ=7.5 m/s2

因為a=10 m/s2>a0

所以小球離開斜面n=0,小球受力情況如圖5,則tcosα=ma,

tsinα=mg

所以t==2.83 n,n=0.

4. 如圖所示,把長方體切成質量分別為m和m的兩部分,切面與底面的夾角為θ,長方體置於光滑的水平面上。設切面是光滑的,要使m和m一起在水平面上滑動,作用在m上的水平力f滿足什麼條件?

4. 5.一根勁度係數為k,質量不計的輕彈簧,上端固定,下端系一質量為m的物體,有一水平板將物體托住,並使彈簧處於自然長度。

如圖5所示。現讓木板由靜止開始以加速度a(a<g )勻加速向下移動。求經過多長時間木板開始與物體分離.

5.。6.如圖6所示,乙個彈簧台秤的秤盤質量和彈簧質量都不計,盤內放乙個物體p處於靜止,p的質量m=12kg,彈簧的勁度係數k=300n/m。

現在給p施加乙個豎直向上的力f,使p從靜止開始向上做勻加速直線運動,已知在t=0.2s內f是變力,在0.2s以後f是恒力,g=10m/s2,則f的最小值是f的最大值是

6.解:因為在t=0.

2s內f是變力,在t=0.2s以後f是恒力,所以在t=0.2s時,p離開秤盤。

此時p受到盤的支援力為零,由於盤和彈簧的質量都不計,所以此時彈簧處於原長。在0_____0.2s這段時間內p向上運動的距離:

x=mg/k=0.4m

因為,所以p在這段時間的加速度

當p開始運動時拉力最小,此時對物體p有n-mg+fmin=ma,又因此時n=mg,所以有fmin=ma=240n.

當p與盤分離時拉力f最大,fmax=m(a+g)=360n.

7.一彈簧秤的秤盤質量m1=1.5kg,盤內放一質量為m2=10.5kg的物體p,彈簧質量不計,其勁度係數為k=800n/m,系統處於靜止狀態,如圖7所示。現給p施加乙個豎直向上的力f,使p從靜止開始向上做勻加速直線運動,已知在最初0.2s內f是變化的,在0.2s後是恆定的,求f的最大值和最小值各是多少?

(g=10m/s2)

7.解:因為在t=0.

2s內f是變力,在t=0.2s以後f是恒力,所以在t=0.2s時,p離開秤盤。

此時p受到盤的支援力為零,由於盤的質量m1=1.5kg,所以此時彈簧不能處於原長,這與例2輕盤不同。設在0_____0.2s這段時間內p向上運動的距離為x,對物體p據牛頓第二定律可得:

f+n-m2g=m2a

對於盤和物體p整體應用牛頓第二定律可得:

令n=0,並由述二式求得,而,所以求得a=6m/s2.

當p開始運動時拉力最小,此時對盤和物體p整體有fmin=(m1+m2)a=72n.

當p與盤分離時拉力f最大,fmax=m2(a+g)=168n.

8.一小圓盤靜止在桌布上,位於一方桌的水平桌面的**.桌布的一邊與桌的ab邊重合,如圖所示.

已知盤與桌布間的動摩擦因數為 μ1,盤與桌面間的動摩擦因數為 μ2.現突然以恆定加速度a將桌布抽離桌面,加速度方向是水平的且垂直於ab邊.若圓盤最後未從桌面掉下,則加速度a滿足的條件是什麼?

(以g表示重力加速度)

8解:對盤在桌布上有 μ1mg = ma1

在桌面上有μ2mg = ma2 ②

υ12 =2a1s112 =2a2s2 ④

盤沒有從桌面上掉下的條件是s2≤1 l - s1

對桌布 s = 1 at2對盤 s1 = 1 a1t2

而 s = 1 l + s1由以上各式解得a≥( μ1 + 2 μ2) μ1g/ μ2 ⑨

9.(2010江蘇無錫模擬)如圖(a)所示,質量為m=10kg的滑塊放在水平地面上,滑塊上固定乙個輕細杆abc,∠anc=45°。在a端固定乙個質量為m=2kg的小球,滑塊與地面間的動摩擦因數為μ=0.5。

現對滑塊施加乙個水平向右的推力f1=84n,使滑塊做勻速運動。求此時輕杆對小球的作用力f2的大小和方向。(取g=10m/s2)

有位同學是這樣解的——小球受到重力及桿的作用力f2,因為是輕杆,所以f2方向沿杆向上,受力情況如圖(b)所示。根據所畫的平行四邊形,可以求得

f2 = mg=20n

你認為上述解法是否正確?如果不正確,請說明理由,並給出正確的解答。

解析:結果不正確,杆ab對球的作用力方向不一定沿著杆的方向.由牛頓第二定律,對整體有

f1- μ( m + m)g = (m+m)a

a==m/s2

解得:f2= n=20.4n

tanα = =5. 輕杆對小球的作用力f2與水平方向夾角斜向右上。

10.質量為0.2kg的小球用細線吊在傾角為θ=60°的斜面體的頂端,斜面體靜止時,小球緊靠在斜面上,線與斜面平行,如圖所示,不計摩擦,求在下列三種情況下,細線對小球的拉力(取g=10 m/s2)

(1) 斜面體以2m/s2的加速度向右加速運動;(2) 斜面體以4m/s2,的加速度向右加速運動;

【解析】解法1:小球與斜面體一起向右加速運動,當a較小時,小球與斜面體間有擠壓;當a較大時,小球將飛離斜面,只受重力與繩子拉力作用。因此要先確定臨界加速度a0(即小球即將飛離斜面,與斜面只接觸無擠壓時的加速度),此時小球受力情況如圖所示,由於小球的加速度始終與斜面體相同,因此小球所受合外力水平向右,將小球所受力沿水平方向和豎直方向分解

解,根據牛頓第二定律有 tcosθ=ma0 ,tsinθ=mg

聯立上兩式得a0=5.77m/s2

(1)a1=2 m/s2<5.77 m/s2,

所以小球受斜面的支援力fn1的作用,受力分析如圖所示,將t1, fn1沿水平方向和豎直方向分解,同理有

, 聯立上兩式得t1=2.08n, fn1=0.4n

(2) a2=4m/s2>5.77 m/s2,所以此時小球飛離斜面,設此時細線與水平方向夾角為θ0,如圖4-73所示,同理有 ,

聯立上兩式得t2=2.43n, θ0=arctan 1.44

解法2:設小球受斜面的支援力為fn ,線的拉力為t,受力分析如圖所示,將t、fn 沿水平方向和豎直方向分解,根據牛頓第二定律有

, 聯立上兩式得:t=m (g sin θ+a cosθ) cosθ

fn=m (g cosθ一a sinθ)

當fn=0時,即a=g cotθ=5.77m/s2時,小球恰好與斜面接觸。所以,當a>5.

77 m/s2時,小球將飛離斜面;a < 5.77 m/s2,小球將對斜面有壓力。

評注:解法1直接分析、討論臨界狀態,計算其臨界值,思路清晰。解法2首先找出所研究問題的一般規律和一般解,然後分析和討論其特殊規律和特殊解。

本題考察了運動狀態的改變與受力情況的變化,關健要明確何時有臨界加速度。另外需要注意的是,當小球飛離斜面時

11.如圖所示,木塊a、b靜止疊放在光滑水平面上,a的質量為m,b的質量為2m。現施加水平力f拉b,a、b剛好不發生相對滑動,一起沿水平面運動。

若改為水平力f′拉a,使a、b也保持相對靜止,一起沿水平面運動,則f′不得超過( )

a.2fb.f/2c.3f d.f/3

【解析】水平力f拉b時,a、b剛好不發生相對滑動,這實際上是將要滑動,但尚未滑動的一種臨界狀態,從而可知此時a、b間的摩擦力即為最大靜摩擦力。

先用整體法考慮,對a、b整體:f = (m+2m) a

再將a隔離可得a、b間最大靜摩擦力為:=ma, 解以上兩方程組得:=f/3

若將f′作用在a上,隔離b可得:b能與a一起運動,而a、b不發生相對滑動的最大加速度a′=/ (2m)

再用整體法考慮,對a、b整體:f′=(m+2m) a′ , 由以上方程解得:f′=f/2 【答案】b

兩木塊疊放在豎直輕彈簧上,如圖所示,已知木塊a、b質量分別為0.42 kg和0.40 kg,彈簧的勁度係數k=100 n/m ,若在木塊a上作用乙個豎直向上的力f,使a由靜止開始以0.

5 m/s2的加速度豎直向上做勻加速運動(g=10 m/s2)

求:使木塊a豎直做勻加速運動的過程中,力f的最大值;

分析:此題難點和失分點在於能否通過對此物理過程的分析後,確定兩物體分離的臨界點,即當彈簧作用下的兩物體加速度、速度相同且相互作用的彈力n =0時,恰好分離。

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3 1 牛頓運動定律 學生版

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