牛顿第二定律 两类动力学问题
一、基础与经典
1.(多选)如图所示,质量为m=1 kg的物体与水平地面之间的动摩擦因数为0.3,当物体运动的速度为10 m/s时,给物体施加一个与速度方向相反的大小为F=2 N的恒力,在此恒力作用下(g取10 m/s2)( )
A.物体经10 s速度减为零
B.物体经2 s速度减为零
C.物体速度减为零后将保持静止
D.物体速度减为零后将向右运动
答案 BC
解析 物体受到向右的滑动摩擦力,Ff=μFN=μmg=3 N,根据牛顿第二定律得,a== m/s2=5 m/s2,方向向右,物体减速到零所需的时间t== s=2 s,B正确,A错误。减速到零后,F2.
如图所示,物体静止在光滑水平面上的O点,从某时刻起,对物体施加水平向右的恒力F1,经过t秒,物体到达A点,速率是v1,此时突然撤去F1,并立即对它施加向左的水平恒力F2,又经过t秒,物体到达B点,速率是v2。已知OA=OB,则下列关于F1、F2和v1、v2的大小关系,正确的是( )
A.4F1=F2 B.3F1=F2
C.2v1=v2 D.4v1=v2
答案 A
解析 选向右为正方向,则物体在t秒内的位移x1=,末速度为v1=a1t,则又过t秒,物体又运动的位移-2x1=v1t-,联立解得4a1=a2,又F=ma,故4F1=F2,A正确,B错误;又v1=a1t,-v2=v1-a2t,联立解得v2=3v1,C、D错误。
3.
如图所示,小车上固定着三角硬杆,杆的端点处固定着一个质量为m的小球。当小车有水平向右的加速度且从零开始逐渐增大时,杆对小球的作用力的变化(用F1至F4表示变化)可能是下列图中的(O O′沿杆方向)( )
答案 C
解析 以小球为研究对象,受到重力和杆对小球的作用力,沿水平方向和竖直方向分解杆对小球的作用力,竖直方向的分力和重力始终平衡,所以竖直方向的分力大小不变,而水平方向的分力逐渐增大,所以C项正确。
4.
在某星球a表面,宇航员把一质量为ma的重物放在地面上(该处的重力加速度设为ga),现用一轻绳竖直向上提拉重物,让绳中的拉力T由零逐渐增大,可以得到加速度a与拉力T关系的图线AB;当宇航员到达另一个星球c表面时,用质量为mc的物体重复上述实验,在同一个坐标系中得到一个相似的图线CD,下面关于CD所描述的物体的质量mc与该星球表面的重力加速度gc说法正确的是( )
A.mc>ma,gcC.mc>ma,gc=ga D.mc答案 C
解析 由牛顿第二定律得T-mg=ma,故a=-g,由图象纵轴截距及斜率表示的物理意义,有ga=gc,mc>ma,故C项正确。
5.
美国南加州森林大火让消防飞机再次进入人们的视线,美国使用了大量消防飞机。在一次扑灭森林火灾时,飞机取完水,直奔火场,此时飞机正拉着水箱水平前进,绳子明显偏离竖直方向向后,如图所示,若忽略水箱所受空气阻力,下列说法正确的是( )
A.绳子的拉力大小等于水箱重力
B.飞机正向前匀速飞行
C.飞机正向前减速飞行
D.飞机正向前加速飞行
答案 D
解析 设绳子与竖直方向的夹角为θ,对水箱受力分析,可知T=,则绳子的拉力大于水箱的重力,A错误;水箱重力和拉力的合力沿前进方向,即mgtanθ=ma,a=gtanθ,飞机正向前加速飞行,B、C错误,D正确。
6.一物体沿倾角为θ的固定斜面自行上滑与下滑时的加速度大小之比为3∶1,则物体与斜面间的动摩擦因数为( )
A.tanθ B.tanθ C.tanθ D.tanθ
答案 B
解析 物体上滑时,由牛顿第二定律得mgsinθ+μmgcosθ=ma1,解得a1=gsinθ+μgcosθ,物体下滑时,由牛顿第二定律得mgsinθ-μmgcosθ=ma2,则a2=gsinθ-μgcosθ,据题有a1=3a2,联立解得μ=tanθ,B正确。
7.为了使雨滴能尽快地淌离房顶,要设计好房顶的高度,设雨滴沿房顶下淌时做无初速无摩擦的运动,那么如图所示的四种情况中符合要求的是( )
答案 C
解析 设屋顶的底角为θ,底边为L,注意底边长度是不变的,雨滴下滑时有=gsinθ·t2,则t==,因此当θ=45°时,时间最短,C正确。
8.
如图所示,放在固定斜面上的物块以加速度a沿斜面匀加速下滑,若在物块上再施加一个竖直向下的恒力F,则( )
A.物块可能匀速下滑
B.物块仍以加速度a匀加速下滑
C.物块将以大于a的加速度匀加速下滑
D.物块将以小于a的加速度匀加速下滑
答案 C
解析 对物块进行受力分析,设斜面的倾角为θ,可列方程mgsinθ-μmgcosθ=ma,sinθ-μcosθ=,当加上力F后,由牛顿第二定律得(mg+F)sinθ-μ(mg+F)cosθ=ma1,即mgsinθ-μmgcosθ+Fsinθ-μFcosθ=ma1,ma+Fsinθ-μFcosθ=ma1,其中Fsinθ-μFcosθ=F(sinθ-μcosθ)=,大于零,代入上式知,a1大于a。物块将以大于a的加速度匀加速下滑。C项正确。
9.如图所示,A、B两小球分别连在轻线两端,B球另一端与弹簧相连,弹簧固定在倾角为30°的光滑斜面顶端。A、B两小球的质量分别为mA、mB,重力加速度为g,若不计弹簧质量,在线被剪断瞬间,A、B两球的加速度大小分别为( )
A.都等于 B.和0
C.和· D.·和
答案 C
解析 对A、B两球,由整体法知,F弹=(mA+mB)·gsin30°,剪断线瞬间,由牛顿第二定律可得,对B:F弹-mBgsin30°=mBaB,得aB=·,对A:mAgsin30°=mAaA,得aA=,所以C正确。
10.
物块A1、A2的质量均为m,B1、B2的质量均为2m,A1、A2用一轻杆连接,B1、B2用轻质弹簧连接。两个装置都放在水平的支托物M上,处于平衡状态,如图所示。今突然迅速地撤去支托物M,在除去支托物的瞬间,A1、A2加速度分别为a1和a2,B1、B2的加速度分别为a1′和a2′,则( )
A.a1=0,a2=2g;a1′=0,a2′=2g
B.a1=0,a2=2g;a1′=g,a2′=2g
C.a1=g,a2=g;a1′=0,a2′=2g
D.a1=g,a2=g;a1′=g,a2′=g
答案 C
解析 A1、A2用一轻杆连接,它们的加速度始终相等,在除去支托物的瞬间,由它们组成的系统只受到重力的作用,根据牛顿第二定律可知,它们的加速度a1=a2=g;因为在除去支托物的瞬间弹簧上的弹力不能突然消失,所以B1的受力不变,加速度仍为零,即a1′=0,而B2受到的竖直向上的支持力突然消失,受到的竖直向下的重力和弹簧弹力不变,加速度大小a2′为2g;综上分析,选项C正确。
11.如图所示为建筑工地上一种塔吊吊篮,塔吊吊起重物,从地面由静止开始以a=0.5 m/s2的加速度竖直向上运动,然后匀速上升。吊篮与重物的总质量M=500 kg,四条钢索与竖直方向的夹角均为60°,g取10 m/s2。当吊篮加速上升时,每根钢索中的弹力大小为( )
A.1250 N B.2520 N
C.2625 N D.5250 N
答案 C
解析 对吊篮与重物整体进行受力分析,根据牛顿第二定律,有4Fcos60°-Mg=Ma,解得F=2625 N,C正确。
12.如图为用索道运输货物的情景,已知倾斜的索道与水平方向的夹角为37°,质量为m的重物与车厢地板之间的动摩擦因数为0.30。当载重车厢沿索道向上加速运动时,重物与车厢仍然保持相对静止状态,重物对车厢内水平地板的正压力为其重力的1.15倍,sin37°=0.6,cos37°=0.8,那么这时重物对车厢地板的摩擦力大小为( )
A.0.35mg B.0.30mg
C.0.23mg D.0.20mg
答案 D
解析 对重物进行受力分析,重物对车厢内水平地板的正压力为其重力的1.15倍,在竖直方向上有FN-mg=ma1,解得a1=0.15g,设水平方向上的加速度为a2,则=tan37°=,解得a2=0.2g,重物水平方向受到的摩擦力提供加速度,即f=ma2=0.20mg,故D项正确。
二、真题与模拟
13.(2016·全国卷Ⅰ)(多选)一质点做匀速直线运动。现对其施加一恒力,且原来作用在质点上的力不发生改变,则( )
A.质点速度的方向总是与该恒力的方向相同
B.质点速度的方向不可能总是与该恒力的方向垂直
C.质点加速度的方向总是与该恒力的方向相同
D.质点单位时间内速率的变化量总是不变
答案 BC
解析 由题意知此恒力即为质点所受合力,若原速度方向与该恒力方向在一条直线上,则质点做匀变速直线运动,质点单位时间内速率的变化量总是不变的;若原速度方向与该恒力方向不在一条直线上,则质点做匀变速曲线运动,速度与恒力间夹角逐渐减小,质点单位时间内速度的变化量是不变的,但速率的变化量是变化的,A、D项错误,B项正确;由牛顿第二定律知,质点加速度的方向总与该恒力方向相同,C项正确。
14.(2018·全国卷Ⅰ)
如图,轻弹簧的下端固定在水平桌面上,上端放有物块P,系统处于静止状态。现用一竖直向上的力F作用在P上,使其向上做匀加速直线运动。以x表示P离开静止位置的位移,在弹簧恢复原长前,下列表示F和x之间关系的图象可能正确的是( )
答案 A
解析 物块静止时受到向上的弹力和向下的重力,处于平衡状态,有:kx0=mg,施加拉力F后,物块向上做匀加速直线运动,由牛顿第二定律有:F+k(x0-x)-mg=ma,所以F=ma+kx,A正确。
15.(2016·全国卷Ⅱ)(多选)两实心小球甲和乙由同一种材料制成,甲球质量大于乙球质量。两球在空气中由静止下落,假设它们运动时受到的阻力与球的半径成正比,与球的速率无关。若它们下落相同的距离,则( )
A.甲球用的时间比乙球长
B.甲球末速度的大小大于乙球末速度的大小
C.甲球加速度的大小小于乙球加速度的大小
D.甲球克服阻力做的功大于乙球克服阻力做的功
答案 BD
解析 甲、乙由同种材料制成,且m甲>m乙,可知R甲>R乙,由题知阻力f=kR,故f甲>f乙,下落相同距离,克服阻力做功W=fx,故W甲>W乙,D正确。在空中对小球受力分析,有mg-f=ma,可得a=g-=g-=g-·,由R甲>R乙可知,a甲>a乙,C错误。由静止下落相同高度,h=at2,得t= ,又a甲>a乙,所以t甲v乙,B正确。
16.(2015·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。
17.(2018·广东茂名一模)一质点受多个力的作用,处于静止状态,现使其中一个力的大小逐渐减小到零,再沿原方向逐渐恢复到原来的大小。在此过程中,其他力保持不变,则质点的加速度大小a和速度大小v的变化情况是( )
A.a和v都始终增大
B.a和v都先增大后减小
C.a和v都先减小后增大
D.a先增大后减小,v始终增大
答案 D
解析 由于质点开始处于静止状态,则其所受合力为零,这就相当于受两个等大反向的力F1和F2,使F1减小到零再沿原方向恢复到原来大小,则合力F=F2-F1先增大后减小到零,故加速度a先增大后减小;由于质点从静止开始运动,所以速度的方向始终与加速度的方向相同,所以其速度会一直增大,A、B、C错误,D正确。
18.
(2018·北京朝阳区一模)如图所示的装置,小车总质量用M表示,钩码总质量用m表示,将木板安装定滑轮的一端垫起,调节木板倾角为θ,使小车恰好带着钩码沿木板向下匀速运动,再保持长木板的倾角不变,取下细绳和钩码,由静止释放小车,已知重力加速度为g,则以下说法正确的是( )
A.小车做匀加速运动的加速度大小为gsinθ
B.小车做匀加速运动的加速度大小为
C.小车做匀加速运动的加速度大小为
D.小车做匀加速运动的加速度大小为
答案 D
解析 小车恰好带着钩码沿木板向下匀速运动时,设小车所受的摩擦力大小为Ff,以小车为研究对象,由平衡条件得FT+Ff=Mgsinθ,以钩码为研究对象,FT=mg,得Ff=Mgsinθ-mg,取下细绳和钩码,由静止释放小车,由牛顿第二定律得Mgsinθ-Ff=Ma,联立解得a=,D正确。
19.
(2019·湖北仙桃、天门、潜江三市期末)如图所示,粗糙水平面上并排放着两个正方体木块A、B,质量分别为mA=m,mB=3m,与水平面的动摩擦因数均为μ,木块A通过轻质水平弹簧与竖直墙壁相连,现用外力缓缓向左水平推木块B,使木块A、B一起向左缓慢移动一段距离后突然撤去外力,木块A、B由静止开始向右运动,当弹簧弹力大小为F时(木块A、B未分离),则木块A对木块B的作用力大小一定为( )
A.F B.
C.F-3μmg D.F-μmg
答案 A
解析 当弹簧弹力大小为F时,设木块A对木块B的作用力大小为N,根据牛顿第二定律,对A、B整体有F-4μmg=4ma,对B有N-3μmg=3ma,联立解得N=F,A正确。
20.
(2019·百师联盟七调)(多选)在光滑水平面上,a、b两小球沿水平面相向运动。当小球间距小于或等于L时,受到大小相等、方向相反的恒定的相互排斥力作用。小球间距大于L时,相互排斥力为零。小球在相互作用区间运动时始终未接触,两小球运动时速度v随时间t的变化关系图象如图所示,由图可知( )
A.a球质量大于b球质量
B.在t1时刻两小球间距最小
C.在0~t2时间内两小球间距逐渐减小
D.在0~t3时间内b球所受排斥力方向始终与运动方向相反
答案 AC
解析 从速度—时间图象可以看出b球速度—时间图象的斜率绝对值较大,所以b球的加速度较大,两小球之间的排斥力为一对相互作用力,大小相等,根据a=知,加速度大的质量小,所以b球质量较小,故A正确;开始时二者做相向运动,当速度相同时距离最近,即t2时刻两小球最近,之后距离又开始逐渐变大,故B错误,C正确;b球在0~t1时间内匀减速,所以在0~t1时间内排斥力与运动方向相反,而在t1~t3时间内匀加速,排斥力与运动方向相同,D错误。
21.(2018·江苏如皋专项训练)如图所示,E为斜面的中点,斜面上半段光滑,下半段粗糙,一个小物体由顶端静止释放,沿斜面下滑到底端时速度为零。小物体下滑过程中位移x、速度v、合力F、加速度a与时间t的关系如选项图所示,以沿斜面向下为正方向,则下列图象中可能正确的是( )
答案 B
解析 物体在斜面上先做匀加速直线运动,后做匀减速直线运动,故位移—时间图线的斜率先增大后减小,A错误。物体到达底端的速度为零,即前半段和后半段的平均速度相等,由于位移也相等,则在前半段和后半段的运动时间相等,B正确。再结合匀加速直线运动的末速度等于匀减速直线运动的初速度可知,两段运动的加速度大小相等、方向相反,合力也大小相等、方向相反,C、D错误。
22.(2018·河南洛阳一模)某科研单位设计了一空间飞行器,如图所示,飞行器从地面起飞时,发动机提供的动力方向与水平方向夹角α=60°,使飞行器恰好沿与水平方向成θ=30°角的直线斜向右上方由静止开始匀加速飞行,经时间t后,将动力的方向沿逆时针旋转60°同时适当调节其大小,使飞行器依然可以沿原方向匀减速飞行,飞行器所受空气阻力不计,下列说法中正确的是( )
A.加速时动力的大小等于mg
B.加速与减速时的加速度大小之比为2∶
C.减速飞行时间t后速度为零
D.加速与减速过程发生的位移大小之比为1∶2
答案 D
解析 起飞时,飞行器受推力和重力,两力的合力与水平方向成30°角斜向上,设动力为F,合力为F合,如图甲所示,在△OFF合中,由几何关系得F=mg,F合=mg,A错误;由牛顿第二定律得飞行器的加速度a1=g,推力方向逆时针旋转60°,合力的方向与水平方向成30°斜向下,推力F′跟合力F合′垂直,如图乙所示,此时合力大小F合′=mgsin30°=mg,动力大小F′=mgcos30°=mg,飞行器的加速度大小a2==0.5g,加速与减速时的加速度大小之比a1∶a2=2∶1,B错误;减速飞行到速度为零的时间t′====2t,C错误;t时刻的速率v=a1t=gt,加速与减速过程发生的位移大小之比为∶=1∶2,D正确。
23.
(2018·北京密云摸底)如图所示,质量为M的斜劈形物体放在水平地面上,质量为m的粗糙物块以某一初速度沿斜劈的粗糙面向上滑动,至速度为零后又加速返回,而物体M始终保持静止,则在物块m上、下滑动的整个过程中( )
A.地面对物体M的摩擦力方向先向左后向右
B.地面对物体M的摩擦力大小不变
C.地面对物体M的摩擦力方向不变
D.地面对物体M的支持力总等于(M+m)g
答案 C
解析 物块m的加速度始终沿斜面向下,物体M始终静止,故物块m与物体M组成的整体始终有沿斜面向下的加速度,对整体分析受力可知,地面对物体M的摩擦力方向始终向左,方向不变,地面对物体M的支持力总小于(M+m)g,A、D错误,C正确。对m分析受力可知,上滑时,a1=gsinθ+μgcosθ,下滑时,a2=gsinθ-μgcosθ,a1>a2,故物块m上滑时地面对物体M的摩擦力大于下滑时地面对物体M的摩擦力,B错误。
一、基础与经典
24.一质量为m=2 kg的滑块能在倾角为θ=30°的足够长的斜面上以a=2.5 m/s2匀加速下滑。如图所示,若用一水平向右恒力F作用于滑块,使之由静止开始在t=2 s内沿斜面运动位移s=4 m。(取g=10 m/s2)求:
(1)滑块和斜面之间的动摩擦因数μ;
(2)恒力F的大小。
答案 (1) (2) N或 N
解析 (1)根据牛顿第二定律可得
mgsin30°-μmgcos30°=ma,解得μ=。
(2)使滑块沿斜面做匀加速直线运动,有加速度沿斜面向上和向下两种可能。
由题意易知s=a′t2,代入数据解得a′=2 m/s2。
当加速度沿斜面向上时,
Fcos30°-mgsin30°-μ(Fsin30°+mgcos30°)=ma′,
代入数据得F= N。
当加速度沿斜面向下时,
mgsin30°-Fcos30°-μ(Fsin30°+mgcos30°)=ma′,
代入数据得F= N。
二、真题与模拟
25.(2017·全国卷Ⅱ)
为提高冰球运动员的加速能力,教练员在冰面上与起跑线相距s0和s1(s1(1)冰球与冰面之间的动摩擦因数;
(2)满足训练要求的运动员的最小加速度。
答案 (1) (2)
解析 (1)解法一:设冰球的质量为m,冰球与冰面之间的动摩擦因数为μ,由动能定理得
-μmgs0=mv-mv①
解得μ=。②
解法二:设冰球的加速度为a,冰球的质量为m,冰球与冰面之间的动摩擦因数为μ,规定冰球运动方向为正方向,由牛顿第二定律得:
a==-μg①
又v-v=2as0②
联立①②式解得μ=。
(2)冰球到达挡板时,满足训练要求的运动员中,刚好到达小旗处的运动员的加速度最小。设这种情况下,冰球和运动员的加速度大小分别为a1和a2,所用的时间为t。
由运动学公式得
v-v=2a1s0③
v0-v1=a1t④
s1=a2t2⑤
联立③④⑤式得a2=。
26.(2016·四川高考)避险车道是避免恶性交通事故的重要设施,由制动坡床和防撞设施等组成,如图竖直平面内,制动坡床视为与水平面夹角为θ的斜面。一辆长12 m的载有货物的货车因刹车失灵从干道驶入制动坡床,当车速为23 m/s时,车尾位于制动坡床的底端,货物开始在车厢内向车头滑动,当货物在车厢内滑动了4 m时,车头距制动坡床顶端38 m,再过一段时间,货车停止。已知货车质量是货物质量的4倍,货物与车厢间的动摩擦因数为0.4;货车在制动坡床上运动受到的坡床阻力大小为货车和货物总重的0.44倍。货物与货车分别视为小滑块和平板,取cosθ=1,sinθ=0.1,g=10 m/s2。求:
(1)货物在车厢内滑动时加速度的大小和方向;
(2)制动坡床的长度。
答案 (1)5 m/s2 沿制动坡床向下 (2)98 m
解析 (1)设货物的质量为m,货物在车厢内滑动过程中,货物与车厢间的动摩擦因数μ=0.4,受摩擦力大小为f,加速度大小为a1,则f+mgsinθ=ma1①
f=μmgcosθ②
联立①②式并代入数据得a1=5 m/s2③
a1的方向沿制动坡床向下。
(2)设货车的质量为M,则M=4m,车尾位于制动坡床底端时的车速v=23 m/s。从货物在车厢内开始滑动到车头距制动坡床顶端s0=38 m的过程中,用时为t,货物相对制动坡床的运动距离为s1,在车厢内滑动的距离s=4 m,货车的加速度大小为a2,货车相对制动坡床的运动距离为s2。货车受到制动坡床的阻力大小为F,F是货车和货物总重的k倍,k=0.44,货车长度l0=12 m,制动坡床的长度为l,则
Mgsinθ+F-f=Ma2④
F=k(m+M)g⑤
s1=vt-a1t2⑥
s2=vt-a2t2⑦
s1=s+s2⑧
l=l0+s2+s0⑨
联立①②④~⑨式并代入数据得l=98 m。
27.(2019·山东泰安一中月考)如图甲所示,质量m=2 kg的物体在水平面上向右做直线运动。过a点时给物体一个水平向左的恒力F并开始计时,选水平向右为速度的正方向,通过速度传感器测出物体的瞬时速度,所得v-t图象如图乙所示。重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)力F的大小和物体与水平面间的动摩擦因数μ;
(2)10 s后撤去拉力F,求物体再过15 s离a点的距离。
答案 (1)3 N 0.05 (2)38 m
解析 (1)设物体向右做匀减速直线运动的加速度大小为a1,则由题图乙v-t图线得a1=2 m/s2,方向与初速度方向相反。
设物体向左做匀加速直线运动的加速度大小为a2,则由题图乙v-t图线得a2=1 m/s2,方向与初速度方向相反。
根据牛顿第二定律,在0~4 s内,有F+μmg=ma1,
在4~10 s内,有F-μmg=ma2,
代入数据,解得F=3 N,μ=0.05。
(2)设10 s末物体的位移为x,x应为v-t图线与时间轴所围的面积,则有x=-2 m,
即物体在a点左侧2 m处。
设撤去拉力F后物体做匀减速直线运动的加速度大小为a3,根据牛顿第二定律,有μmg=ma3,
解得a3=0.5 m/s2,
则物体减速到零的时间t==12 s,
即物体12 s后便停止运动,
则物体在12 s内的位移x′==36 m,
物体再过15 s,离a点的距离d=|x|+x′=38 m。