1、5.牛顿运动定律的应用 必备知识基础练一、概念判断1力是产生加速度的原因,而不是产生速度的原因。()2在选定已知质量的研究对象以后,通过分析其受到的外力,可以求出加速度。()3物体在某一个方向上的加速度仅取决于该方向的合外力,与其他方向的力无关。()4在进行正交分解时,必须选加速度和与之垂直的方向作为坐标轴的方向。()提示:一般来说,可以任意选取坐标轴的方向,但要注意将包括加速度在内的所有矢量在坐标轴上进行分解。5牛顿定律只适用于宏观低速(远小于光速)的物体运动的研究。()二、选择题题组一 牛顿第二定律基本物理思想12020 年 6 月至 8 月,我国南方某些地区连日暴雨,共有 433 条河流
2、发生超警戒线的洪水。某次无风的情况下,一雨滴在空中下落过程中的速度随时间变化的图像如图所示,则下列说法正确的是()A雨滴下落过程中的加速度可能大于重力加速度B雨滴下落过程中的加速度方向发生了变化C当速度等于 v0 时,雨滴所受空气阻力等于重力D随着雨滴速度的增加,空气阻力逐渐减小【解析】选 C。雨滴下落过程中受向下的重力和向上的阻力作用,雨滴下落过程中受到重力和阻力作用做加速运动,合力向下说明阻力小于重力,所以下落过程中的加速度不可能大于重力加速度,故 A 错误;由题图可知,雨滴下落过程中的运动是加速度减小的加速运动,但是加速度方向没有发生变化,故 B 错误;当速度等于 v0 时,加速度为 0
3、,雨滴所受合力为 0,空气阻力等于重力,故 C 正确;由题图可知,雨滴下落过程中的加速度减小,说明合力逐渐减小,空气阻力逐渐增大,故 D 错误。2如图所示,A、B 两物块叠放在一起,在粗糙的水平面上保持相对静止地向右做匀减速直线运动,运动过程中 B 受到的摩擦力()A.方向向左,大小不变 B方向向左,逐渐减小C方向向右,大小不变D方向向右,逐渐减小【解析】选 A。A、B 两物块叠放在一起共同向右做匀减速直线运动,对 A 和 B整体根据牛顿第二定律有 a(mAmB)gmAmBg,然后隔离 B,根据牛顿第二定律有:fABmBamBg,大小不变;物块 B 做速度方向向右的匀减速运动,故而加速度方向向
4、左,摩擦力向左,故选 A。3如图所示,车沿水平地面做直线运动。一小球悬挂于车顶,悬线与竖直方向夹角为,放在车厢后壁上的物体 A,质量为 m,恰与车厢相对静止。已知物体 A 与车厢间动摩擦因数为,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。则下列关系式正确的 是()Atan Btan 1Ctan g Dtan g【解析】选 B。小球所受的合力应水平向右,则加速度 aFm mg tan mg tan,A 与小球具有相同的加速度,则 A 所受的弹力 Nmamg tan,方向向右。由滑动摩擦力公式可知,fNmg;联立解得:tan 1。题组二 利用牛顿第二定律讨论瞬时问题4.皮带传送装置如图所示,皮带的速度 v 足够大
5、,轻弹簧一端固定,另一端连接一个质量为 m 的滑块,已知滑块与皮带之间存在摩擦,当滑块放在皮带上时,弹簧的轴线恰好水平,若滑块放到皮带的瞬间,滑块的速度为零,且弹簧正好处于自由长度,则当弹簧从自由长度到第一次达到最长这一过程中,滑块的速度和加速度变化的情况是()A速度增大,加速度增大B速度增大,加速度减小C速度先增大后减小,加速度先增大后减小D速度先增大后减小,加速度先减小后增大【解析】选 D。滑块在水平方向受向左的滑动摩擦力 Ff 和弹簧向右的拉力 kx,合力 F 合Ffkxma,而 x 逐渐增大,所以加速度 a 先减小后反向增大,速度先增大后减小。故 D 正确,A、B、C 错误。5.如图所
6、示,弹簧的一端固定在天花板上,另一端连一质量 m2 kg 的秤盘,盘内放一个质量 M1 kg 的物体,秤盘在竖直向下的拉力 F 作用下保持静止,F30 N,在突然撤去外力 F 的瞬间,物体对秤盘的压力大小为(g 取 10 m/s2)()A10 N B15 NC20 N D40 N【解析】选 C。当突然撤去外力 F 的瞬间,物体和秤盘所受的合外力大小 F 合F30 N,方向竖直向上,对物体和秤盘整体,由牛顿第二定律可得 aF合Mm 3012 m/s210 m/s2秤盘原来在竖直向下的拉力 F 作用下保持静止时,弹簧对秤盘向上拉力大小为F 弹(Mm)gF(12)10 N30 N60 N对秤盘,由牛
7、顿第二定律 F 弹mgFNma解得物体对秤盘的压力 FN20 N,故选 C。三、非选择题6(由受力分析解决运动问题)公路上行驶的两汽车之间应保持一定的安全距离。当前车突然停止时,后车司机可以采取刹车措施,使汽车在安全距离内停下而不会与前车相碰。通常情况下,人的反应时间和汽车系统的反应时间之和为 1 s,当汽车在晴天干燥沥青路面上以 108 km/h 的速度匀速行驶时,安全距离为 120 m。设雨天时汽车轮胎与沥青路面间的动摩擦因数为晴天时的25,若要求安全距离仍为 120 m,重力加速度 g 取 10 m/s2,求:(1)晴天时汽车轮胎与沥青路面间的动摩擦因数 0;(2)汽车在雨天安全行驶的最
8、大速度。【解析】(1)设路面干燥时,汽车轮胎与路面的动摩擦因数为 0,刹车时汽车的加速度大小为 a0,安全距离为 s,反应时间为 t0,m 和 v0 分别为汽车的质量和刹车前的速度。由牛顿第二定律和运动学公式得 0mgma0sv0t0v202a0联立代入数据解得:00.5(2)设在雨天行驶时,汽车轮胎与路面的动摩擦因数为,依题意有:25 00.2设在雨天行驶时汽车刹车的加速度大小为 a,安全行驶的最大速度为 v,由牛顿第二定律和运动学公式得mgmasvt0v22a解得:v20 m/s72 km/h答案:(1)0.5(2)72 km/h关键能力综合练一、选择题1A、B 两物体以相同的初速度滑到同
9、一粗糙水平面上,若两物体的质量 mAmB,两物体与粗糙水平面间的动摩擦因数相同,则两物体能滑行的最大距离 xA与 xB 相比为()AxAxBBxAxBCxAxBD不能确定【解析】选 A。A、B 物体的加速度均为 ag,又由 xv202a 知,初速度相同,两物体滑行距离也相同。2在静止的小车内用细绳 a 和 b 系住一小球。绳 a 与竖直方向成 角,拉力为Ta,绳 b 成水平状态,拉力为 Tb。现让小车从静止开始向左做匀加速直线运动。此时小球在车内的位置仍保持不变(角 不变)。则两根细绳的拉力变化情况是()A.Ta 变大,Tb 不变BTa 不变,Tb 变大CTa 变大,Tb 变大DTa 不变,T
10、b 变小【解析】选 B。小车以加速度 a 向左做匀加速直线运动,对小球受力分析,如图TbTa sin maTa cos mg0解得 Ta mgcos Tbmg tan ma故当小车由静止开始加速时,加速度由零变为不是零,即变大,故 Ta 不变,Tb变大。3如图所示,小球在水平轻绳和轻弹簧拉力作用下静止,弹簧与竖直方向夹角为。设重力加速度为 g,下列说法正确的是()A.从 A 点剪断弹簧瞬间,小球的加速度大小为 g cos,方向与竖直方向成 角斜向右下B.从 A 点剪断弹簧瞬间,小球的加速度大小为 gcos ,方向与竖直方向成 角斜向右下C.从 B 点剪断轻绳瞬间,小球加速度大小为 g sin,
11、方向与水平方向成 角斜向左下D从 B 点剪断轻绳瞬间,小球的加速度大小为 g tan,方向水平向左【解析】选 D。从 A 点剪断弹簧瞬间,小球所受的弹簧拉力消失,所受的轻绳拉力突变为零,小球在重力作用下向下运动,小球的加速度大小为 g,方向竖直向下,故选项 A、B 错误;剪断弹簧前,设弹簧的拉力为 F,轻绳的拉力为 FT,由平衡条件可知F cos mg,F sin FT,解得 F mgcos FTmg tan,从 B 点剪断轻绳瞬间,小球所受的轻绳拉力消失,所受弹簧的拉力和重力不变,则小球所受的合力大小为 mg tan,由 mg tan ma 可得小球的加速度为 ag tan,方向水平向左,故
12、 D 正确。4如图所示,公园里一个小朋友在荡秋千,两根轻质吊线平行,小朋友可视为质点,重力加速度为 g。小朋友运动到最高点时,每根吊线上张力大小等于小朋友及秋千踏板总重力的25,此时小朋友的加速度大小为()A.45 g B35 g C25 g D0【解析】选 B。以小朋友及秋千踏板整体为研究对象,由于小朋友及秋千踏板运动到最高点时速度为零,整体在沿吊线方向平衡,小朋友及秋千踏板的合力和吊线垂直,如图所示,设小朋友及秋千踏板的总质量为 m,已知每根吊线上张力 F25 mg,由牛顿第二定律()mg 2()2F 2ma,求得小朋友及秋千踏板整体的加速度大小为 a35 g,此时小朋友的加速度大小为35
13、 g,故 B 正确。5.如图所示为两个等高的光滑斜面 AB、AC,将一可视为质点的滑块由静止在 A点释放。沿 AB 斜面运动,运动到 B 点时所用时间为 tB;沿 AC 斜面运动,运动到C 点所用时间为 tC,则()AtBtCBtBtCCtBtCD无法比较【解析】选 C。设斜面倾角为,对滑块利用牛顿第二定律解得加速度 ag sin,解几何三角形得位移 x hsin ,根据 x12 at2 得 t2xa 2hg sin2 1sin2hg,故 tBtC,故 C 正确。6.在倾角为 的光滑固定斜面上有两个用轻弹簧连接的物块 A 和 B,它们的质量分别为 m 和 2m,弹簧的劲度系数为 k,C 为一固
14、定挡板,系统处于静止状态。现用一沿斜面方向的恒力 F 拉物块 A 使之沿斜面向上运动,当 B 刚离开 C 时,A 的速度为 v,加速度为 a,且方向沿斜面向上。设弹簧始终处于弹性限度内,重力加速度为 g,则()A当 B 刚离开 C 时,A 发生的位移大小为9mg sin kB恒力 F 的大小为 F3mg sin C当 A 的速度达到最大时,B 的加速度大小为a2D从开始运动到 B 刚离开 C 时,所用的时间为va【解析】选 C。开始 A 处于静止状态,弹簧处于压缩状态,根据平衡条件有:mg sin kx1,解得弹簧的压缩量 x1mg sin k,当 B 刚离开 C 时,B 对挡板的弹力为零,有
15、:kx22mg sin,解得弹簧的伸长量 x22mg sin k,可知从静止到 B刚离开 C 的过程中,A 发生的位移 xx1x23mg sin k,故 A 错误;根据牛顿第二定律得,Fmg sin kx2ma,解得:F3mg sin ma,故 B 错误;当 A的加速度为零时,A 的速度最大,设此时弹簧的拉力为 FT,则:FFTmg sin 0,所以 FTFmg sin 3mg sin mamg sin 2mg sin ma。以 B 为研究对象,则:2maFT2mg sin ma,所以:a12 a,故 C 正确。若 A 一直做匀加速直线运动,则从开始运动到 B 离开 C 的时间:tvava。而
16、实际的情况是开始时 A 受到的向上的弹簧的弹力比较大,随 A 向上运动的过程中弹簧对A 的弹力减小,所以 A 向上运动的加速度减小,可知在 B 离开 C 前 A 的加速度一直大于 a,所以从开始运动到 B 刚离开 C 时,所用的时间一定小于va,故 D 错误。7图甲中的塔吊是现代工地必不可少的建筑设备,图乙为 150 kg 的建筑材料被塔吊竖直向上提升过程的简化运动图像,g 取 10 m/s2,下列判断正确的是()A前 10 s 钢索的拉力恒为 1 500 NB46 s 末材料离地面的距离为 22 mC1030 s 钢索上的拉力最小D在 3036 s 钢索最容易发生断裂【解析】选 B。由图可知
17、前 10 s 内材料的加速度 a0.1 m/s2,由 Fmgma 可解得钢索的拉力为 1 515 N,选项 A 错误;由图像面积可得整个过程材料上升的高度是 28 m,下降的高度为 6 m,46 s 末材料离地面的距离为 22 m,选项 B 正确;因 3036 s 材料加速度向下,材料处于失重状态,Fmg,在 3036 s 钢索拉力最小,最不容易发生断裂,选项 C、D 错误。8(多选)雨滴在空气中下落时会受到空气阻力的作用。假设阻力大小只与雨滴的速率成正比,所有雨滴均从相同高处由静止开始下落,到达地面前均达到最大速率。下列判断正确的是()A达到最大速率前,所有雨滴均做匀加速运动B所有雨滴的最大
18、速率均相等C较大的雨滴最大速率也较大D较小的雨滴在空中运动的时间较长【解析】选 C、D。设雨滴下落时受到的阻力为 fkv,根据牛顿第二定律:mgkvma,则雨滴下落时,随着速率的增加,加速度逐渐减小,则达到最大速率前,所有雨滴均做加速度减小的变加速运动,选项 A 错误;当 a0 时速率最大,则 vmmgk,质量越大,则最大速率越大,选项 B 错误,C 正确;较小的雨滴在空中运动的最大速率较小,整个过程的平均速率较小,则在空中运动的时间较长,选项 D 正确。9.如图所示,倾角为 30的光滑斜面上,质量分别为 2m、m 的 a、b 两物块,用一轻弹簧相连,将 a 用细线连接在木板上,调整细线使之与
19、斜面平行且使系统静止时,物块 b 恰与斜面底端的挡板无弹力,此时弹簧的形变量为 x。重力加速度为 g,若突然剪断细线,弹簧始终处于弹性限度内,则()A剪断细线瞬间,挡板对物块 b 弹力为 0.5mgB剪断细线瞬间,物块 b 的加速度为 0.5gC剪断细线瞬间,物块 a 的加速度为 gD剪断细线后,物块 a 沿斜面向下运动 3x 时速度最大【解析】选 D。突然剪断细线前,对 b 受力分析,由平衡条件可得 F 弹mg sin,剪断细线瞬间,弹簧的弹力不能突变,b 的受力状态不变,合力仍为零,则物块 b的加速度为零,挡板对物块 b 的弹力也为零,A、B 错误;突然剪断细线前,对 a受力分析,由平衡条
20、件可得 FT2mg sin F 弹可得 FT3mg sin,剪断细线瞬间,弹簧的弹力不能突变,细线拉力消失,由牛顿第二定律得 2mg sin F 弹2ma,解得 a 的加速度为 a32 g sin,C 错误;剪断细线前,弹簧的形变量为 x,可得 mg sin F 弹kx 剪断细线后,物块 a 沿斜面向下运动,向下运动 x 时,弹簧恢复原长,再向下运动 x,当加速度为零时,速度最大,此时满足 2mg sin kx联立上式可得 x2x,所以物块 a 沿斜面向下运动 3x 时速度最大,D 正确。二、非选择题10在宇航训练程序中,一位 80 kg 的宇航员被绑在一个质量为 220 kg 的火箭运载器内
21、,这个运载器被安全放在一条无摩擦的长轨道上,开动火箭发动机使之很快地加速运载器,然后马达制动运载器,v-t 图像如图所示。设喷射燃料的质量和运载器的质量相比可以忽略。(1)计算向前的推力多大;(2)计算施加在运载器上的制动力;(3)计算沿轨道运行的路程。【解析】(1)由 v-t 图像知,avt 50 m/s2,由 F(Mm)a,得 F1.5104 N(2)由 v-t 图像知,913 s 马达制动减速,加速度大小avt 25 m/s2则制动力大小 F(Mm)a7.5103 N(3)路程 x 等于 v-t 图像与 t 轴所围面积大小:x1 000 m答案:(1)1.5104 N(2)7.5103
22、N(3)1 000 m11如图甲所示,倾角为 30的粗糙斜面固定在地面上,物块在沿斜面方向的推力 F 的作用下向上运动。已知推力 F 在开始一段时间内大小为 8.5 N。后来突然减为 8 N,整个过程中物块速度随时间变化的规律如图乙所示,重力加速度 g 取 10 m/s2,求:(1)物块的质量 m;(2)物块与斜面间的动摩擦因数。【解析】(1)当 F8.5 N 时物块做匀加速运动由 v-t 图像得 avt 0.5 m/s2由牛顿第二定律得 FFfmg sin ma当 F8 N 时,物块做匀速运动 FFfmg sin 0由以上各式解得 m1 kg(2)由第(1)问可得 FfFmg sin 3 N
23、,又 Ffmgcos30得 Ffmg cos 30 35答案:(1)1 kg (2)35素养提升创新练 某工厂用倾角为 37的传送带把货物由低处运送到高处,已知传送带总长为 L50 m,正常运转的速度为 v4 m/s。一次工人刚把 M10 kg 的货物放到传送带上的 A 处时停电了,为了不影响工作的进度,工人拿来一块 m5 kg 带有挂钩的木板,把货物放到木板上,通过定滑轮用绳子把木板拉上去。货物与木板及木板与传送带之间的动摩擦因数均为 0.8。(货物与木板均可看作质点,g 取 10 m/s2,sin370.6,cos370.8)(1)为了把货物拉上去又不使货物相对木板滑动,求工人所用拉力的最
24、大值;(2)若工人用 F189 N 的恒定拉力把货物拉到L5 处时来电了,工人随即撤去拉力,求此时货物与木板的速度大小;(3)来电后,还需要多长时间货物能到达 B 处?(不计传送带的加速时间)【解析】(1)设最大拉力为 Fm,货物与木板之间的静摩擦力达到最大值,设此时的加速度为 a1,对货物分析根据牛顿第二定律得:Mg cos Mg sin Ma1 代入数据得:a10.4 m/s2对货物与木板整体分析根据牛顿第二定律得:Fm(mM)g cos(mM)g sin(mM)a1代入数据得:Fm192 N(2)设工人拉木板的加速度为 a2,根据牛顿第二定律得:(mM)g cos(mM)g sin(mM
25、)a3代入数据得:a30.4 m/s2设经过 t1 木板速度与传送带速度相同,vv1a3t1 得:F(mM)g cos(mM)g sin(mM)a2代入数据解得:a20.2 m/s2设来电时木板的速度为 v1,根据运动学公式得:v21 2a2L5代入数据得:v12 m/s(3)由于 v14 m/s,所以来电后木板继续加速,加速度为 a3 得:t15 s设 t1 内木板加速的位移为 x1,v2v21 2a3x1 得:x115 m共速后,木板与传送带相对静止一起匀速运动,设匀速运动的时间为 t2,匀速运动的位移为 x2,x2LL5 x1 得:x225 m又:t2x2v 得:t26.25 s所以来电后木板再需要运动的时间为:t1t211.25 s。答案:(1)192 N(2)2 m/s(3)11.25 s