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高中物理必修一素养提升学案
第四章 运动和力的关系
专题强化3 动力学图像问题
【专题问题解读】
1.常见图像
v-t图像、a-t图像、F-t图像、F-a图像等.
2.题型分类及解题思路
题型 解题思路
由运动图像分析受力情况 (1)根据运动图像,求解加速度;(2)应用牛顿第二定律,建立加速度与力的关系;(3)确定物体受力情况及相关物理量
由受力图像分析运动情况 (1)根据受力图像,结合牛顿第二定律,确定加速度的变化;(2)根据加速度和初速度的方向,判断是加速运动还是减速运动;(3)由加速度结合初始运动状态,分析物体的运动情况
由已知条件确定物理量的变化图像 (1)分析运动过程中物体的受力;(2)根据牛顿第二定律推导出加速度表达式;(3)根据加速度的变化确定物理量的变化图像
【分类解析】
一、由运动学图像分析物体的受力情况
例1 (多选)给一物块一定的速度使其沿粗糙固定斜面上滑,上滑到斜面某一位置后,又自行滑下,该物块的v-t图像如图所示,则由此可知(重力加速度g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8) ( )
A.斜面倾角为30°
B.斜面倾角为37°
C.动摩擦因数μ=0.5
D.动摩擦因数μ=0.2
答案 BC
解析 v-t图像的斜率表示加速度,则由题图可知,沿斜面上滑时的加速度大小为a1=10 m/s2;沿斜面下滑时的加速度大小为a2=2 m/s2;根据牛顿第二定律得上滑时,有mgsin θ+μmgcos θ=ma1;下滑时,有mgsin θ-μmgcos θ=ma2,由上述两式解得θ=37°,μ=0.5,故选B、C。
例2 建设房屋的起重机通过钢索将质量为m的建筑材料从地面竖直向上吊起,材料运动过程中的位移x随时间t变化的关系图像如图所示。材料受到的拉力大小为FT、速度大小为v。重力加速度为g,则 ( )
A.0~t1内,v减小,FTB.t1~t2内,v增大,FT>mg
C.t2~t3内,v减小,FT>mg
D.t2~t3内,v减小,FT答案 D
解析 位移—时间图像的斜率表示速度,根据图像可知0~t1内,斜率增大,速度增大,向上加速,加速度a向上,a>0,根据牛顿第二定律可知,FT-mg=ma,则FT>mg,故A错误;t1~t2内,斜率先增大后减小,速度先向上增大后向上减小,则拉力先大于重力后小于重力,故B错误;t2~t3内,斜率减小,速度减小,向上减速,加速度向下,根据牛顿第二定律可知拉力小于重力,故C错误,D正确。
二、由F-t(a-t)图像、F-x图像分析物体的运动情况
【典例3】 (2023·陕西省西安中学月考)质量为1 kg的物体只在力F的作用下运动,力F随时间t变化的图像如图所示,在t=1 s时,物体的速度为零,则物体运动的v-t图像、a-t图像正确的是 ( )
答案 B
解析 第1 s内物体受力方向为负,t=1 s时速度为0,则在前1 s内物体做减速运动,加速度为-1 m/s2,则t=0时,速度为1 m/s;第2 s内物体从速度为0做正向加速运动,加速度为2 m/s2;第2~4 s内物体做减速运动,加速度为-1 m/s2,故B正确。
【典例4】如图甲所示,竖直轻质弹簧的下端固定在水平面上,上端放置的物体(物体与弹簧不连接)处于静止状态。现用竖直向上的拉力F作用在物体上,使物体开始向上做匀加速运动,拉力F与物体位移x之间的关系图像如图乙所示。不计空气阻力,重力加速度g取10 m/s2,下列说法正确的是 ( )
A.物体与弹簧分离时,弹簧处于压缩状态
B.弹簧的劲度系数为7.5 N/cm
C.物体的质量为2 kg
D.物体的加速度大小为5 m/s2
答案 CD
解析 物体与弹簧分离时,弹簧恢复原长,刚开始时物体处于静止状态,物体所受重力和弹力二力平衡,有mg=kΔx,其中Δx=4 cm,拉力F1为10 N时,根据牛顿第二定律有F1+kΔx-mg=ma;物体与弹簧分离后,拉力F2为30 N,根据牛顿第二定律有F2-mg=ma;代入数据解得m=2 kg,k=5 N/cm,a=5 m/s2,故A、B错误,C、D正确。
三、由a-F图像分析物体的受力或运动情况
【典例5】(多选)物体A、B、C均静止在同一水平面上,它们的质量分别为mA、mB、mC,与水平面间的动摩擦因数分别为μA、μB、μC,用平行于水平面的拉力F分别拉物体A、B、C,所得加速度a与拉力F的关系图线如图中甲、乙、丙所示,则以下说法正确的是 ( )
A.μA=μB,mAC.μB=μC,mB>mC D.μA<μC,mA答案 ABD
解析 根据牛顿第二定律有F-μmg=ma,得a=-μg,则a-F图像的斜率k=,由题图可看出,乙、丙的斜率相等且小于甲的斜率,则mA【针对性训练】
1.(2023·肇庆市第一中学高一月考)排球是人们最喜爱的运动之一。运动员在原地向上做抛接球训练,排球在空中受到空气的阻力大小可视为不变,下列能反映排球上升和下落运动过程的图像是 ( )
答案 B
解析 上升阶段,排球在空中受到空气的阻力与重力方向相同,合力较大,下落阶段,排球在空中受到空气的阻力与重力方向相反,合力较小,故上升阶段的加速度比下落阶段的要大,方向相同,故A错误,B正确;由h=at2可知,上升所需的时间稍短,下落所需的时间稍长,且上升和下落运动方向相反,由v2=2ah可知,落回抛球点时,速度比抛出时稍小,且由上述分析可知,上升和下降的加速度均恒定,故C、D错误。
2.质量为2 kg的物体在水平推力F的作用下沿水平面做直线运动,一段时间后撤去F,其运动的v-t图像如图所示,则物体与水平面间的动摩擦因数μ和水平推力F的大小分别为(重力加速度g取10 m/s2) ( )
A.0.2 6 N B.0.1 6 N
C.0.2 8 N D.0.1 8 N
答案 A
解析 由v-t图像知a1=1 m/s2,a2=-2 m/s2,由牛顿第二定律得F-μmg=ma1,-μmg=ma2,解得μ=0.2,F=6 N,选项A正确。
3.如图甲所示,物体原来静止在水平面上,用一水平力F拉物体,在F从0开始逐渐增大的过程中,物体加速度a随力F变化的关系图像如图乙所示,重力加速度g取10 m/s2。则 ( )
A.加速度a与力F成正比
B.物体在力F作用下做匀加速直线运动
C.物体的质量为1 kg
D.物体与水平面间的动摩擦因数为0.3
答案 D
解析 a-F图像是不过原点的直线,所以a与F成线性关系,不成正比,故A错误;物体在力F作用下做加速度增大的变加速直线运动,故B错误;设物体的质量为m,物体与水平面间的动摩擦因数为μ,根据牛顿第二定律有F-μmg=ma,取图中数据代入后解得m=2 kg,μ=0.3,故C错误,D正确。
4.(多选)如图甲所示,水平地面上有一质量为M的物体,用竖直向上的力F向上提它,力F变化引起物体加速度变化的函数关系图像如图乙所示,重力加速度大小为g,则下列说法正确的是 ( )
A.当F小于图乙中A点横坐标值时,物体的重力Mg>F,物体不动
B.图乙中A点的横坐标值等于物体的重力大小
C.物体向上运动的加速度与力F成正比
D.图线延长线和纵轴的交点B的纵坐标为-g
答案 ABD
解析 当0≤F≤Mg时,物体静止,A正确;当F>Mg时,能将物体提离地面,此时,F-Mg=Ma,a=F-g,A点表示的意义为F=Mg,图线的纵轴截距为-g,B、D正确,C错误。
5.(多选)(2024·安康市高一期末)一物块静止在粗糙程度均匀的水平地面上,在0~4 s内所受水平拉力F随时间t变化的关系图像如图甲所示,在0~2 s内的速度与时间关系图像如图乙所示,已知最大静摩擦力大于滑动摩擦力,则下列说法正确的是 ( )
A.物块的质量为0.5 kg
B.3 s后物块将一直处于静止状态
C.4 s内物块位移为6 m
D.物块与地面间的动摩擦因数为0.2
答案 BD
解析 由题图乙可知,1~2 s内物体做匀速运动,故说明滑动摩擦力大小为Ff=F2=2 N
0~1 s内物体做匀加速运动,加速度为
a==4 m/s2
由牛顿第二定律可得F1-Ff=ma,解得m=1 kg
根据滑动摩擦力公式有Ff=μmg
解得μ=0.2,故A错误,D正确;
2 s后受到的合力F合=F3-Ff=-4 N
方向与运动方向相反,物体做匀减速运动,由牛顿第二定律得加速度大小a'==-4 m/s2
匀减速至停止的时间为t==1 s
则t=3 s末速度减为零,此后保持静止,故4 s末的速度为0,4 s内的位移等于v-t图像0~3 s对应梯形的面积
x=×4 m=8 m,故B正确,C错误。
6.(2024·潍坊市高一期末)质量为m的物体,静止在粗糙的水平面上,从t=0时刻起,受到一个水平外力F的作用,F随时间变化的规律如图所示。最大静摩擦力等于滑动摩擦力。下列关于物块运动的a-t图像和v-t图像可能正确的是 ( )
答案 D
解析 由题图可知,在t1之前,外力逐渐增加,初始时,外力F较小,小于最大静摩擦力,所以开始一段时间没有加速度,若外力F的最大值大于最大静摩擦力,则在外力F大于最大静摩擦之后,物块开始运动,由F-Ff=ma,整理有F=ma+Ff,可知,外力F与加速度a呈线性关系。到达t1之后,外力F不变,所以加速度a也不变,所以对于a-t图像来说,应该初始一段时间a=0(没有图线),某时刻后是一条倾斜的直线,t1之后为一条与t轴平行的直线,故A、B错误;
由上述分析可知,初始一段时间加速度为零,之后逐渐增加,t1之后加速度不变,而v-t图像中,斜率表示加速度,故C错误,D正确。
7.(多选)(2024·泉州市高一期末)如图甲,劲度系数为k的轻弹簧竖直固定在水平地面上,距弹簧上端x0处一小球由静止下落。以小球开始下落的位置为坐标原点,沿竖直向下方向建立坐标轴Ox,小球下落至最低点过程中的加速度a随位移x变化关系的图像如图乙所示,图乙中坐标值均为已知量,重力加速度大小为g。则 ( )
A.小球的质量为
B.小球加速度a=-g时对应的横坐标为2x0-x1
C.小球向下运动过程中最大加速度大小为
D.0~x0图像与横坐标轴所围面积在数值上表示小球最大速度的大小
答案 AC
解析 由图像可知,加速度为0时,根据受力平衡可得mg=k(x1-x0),解得小球的质量为m=,故A正确;设小球加速度a=-g时对应的横坐标为x',根据a-x图像结合对称性有x'-x1=x1-x0,解得x'=2x1-x0,故B错误;根据a-x图像可知,mg=k(x1-x0),在最低点时k(x2-x0)-mg=mam,小球向下运动过程中最大加速度大小为am=,故C正确;根据a-x图像可知,0~x0阶段小球做自由落体运动,小球运动到x0位置时,小球刚接触弹簧,之后从x0~x1小球继续向下加速运动,当小球运动到x1位置时,加速度为0,小球的速度达到最大,根据运动学公式2ax=v2-,可知0~x0图像与横坐标轴所围面积在数值上不是表示小球最大速度的大小,故D错误。
8.(12分)为了探究物体与斜面间的动摩擦因数,某同学进行了如下实验:取一质量为m的物体,使其在沿斜面方向的推力F作用下向上运动,如图甲所示,通过力传感器得到推力随时间变化的规律如图乙所示,通过频闪照相处理后得出速度随时间变化的规律如图丙所示,若已知斜面固定且倾角α=30°,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)(7分)物体与斜面间的动摩擦因数;
(2)(5分)撤去推力F后,物体沿斜面运动的最大距离(斜面足够长)。
答案 (1) (2)0.075 m
解析 (1)0~2 s时间内,有F1-mgsin α-μmgcos α=ma1
由题图丙可知,a1==0.5 m/s2
2 s后,有F2-mgsin α-μmgcos α=ma2,a2=0
代入数据解得m=3 kg,μ=。
(2)撤去推力F后,有-mgsin α-μmgcos α=ma3
解得a3=- m/s2
则s==0.075 m。
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