高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

用起重机将质量为$200\;\rm kg$的重物由静止沿竖直方向吊起,重物先匀加速上升,起重机输出功率达到额定功率$4.4\;\rm kW$后保持不变,整个过程中起重机输出功率$P$随时间$t$的变化如图所示,不计空气阻力,重力加速度$g$$10\;\rm m/{{s}^{2}}$,下列说法正确的是$(\qquad)$

 

["

$t=1\\;\\rm s$时,重物的速率为$1.1\\;\\rm m/s$

","

$t=1\\;\\rm s$时,重物的重力势能增加了$1000\\;\\rm J$

","

$t=2\\;\\rm s$时,重物受到竖直向上的拉力大小为$2000\\;\\rm N$

","

$t=3\\;\\rm s$时,重物的加速度大小为$1\\;\\rm m/{{s}^{2}}$

"]
[["B"]]

重物先由静止匀加速:$v=at$,根据牛顿第二定律有:$F-mg=ma$,功率:$P=Fv$,联立得到:$P=(mg+ma)at$,对$P-t$图像斜率有:$(mg+ma)a=\dfrac{4.4\times {{10}^{3}}}{2}\ \rm J$,所以有:$2000a+200{{a}^{2}}=2200$,从而解得:$a=1\;\rm m/{{s}^{2}}$$a=-11\;\rm m/{{s}^{2}}$(舍去),

$\rm A$$t=1\;\rm s$时,重物的速率为${{v}_{1}}=at=1\times 1\;\rm m/s=1\;\rm m/s$,故$\rm A$错误;

$\rm B$$t=1\;\rm s$内的位移:${{x}_{1}}=\dfrac{1}{2}a{{t}^{2}}=\dfrac{1}{2}\times 1\times {{1}^{2}}\ \rm m=0.5\ \rm m$,重力势能的增加量为:$\Delta {{E}_{\rm p1}}=mg{{x}_{1}}=200\times 10\times 0.5\;\rm J=1000\;\rm J$,故$\rm B$正确;

$\rm C$$t=2\;\rm s$达到额定功率$4.4\;\rm W$后保持不变,$t=2\;\rm s$时仍有$a=1\;\rm m/{{s}^{2}}$的加速度,以上分析可知:$F-mg=ma$得:$F=mg+ma=200(10+1)\;\rm N=2200\;\rm N$,故$\rm C$错误;

$\rm D$$t=2\;\rm s\sim3\;\rm s$时,功率$P=4.4\;\rm kW$保持不变,由$P=Fv$可知,随着速度$v$增大,$F$在减小。以上分析可知:$F-mg=ma$,加速度$a$在减小,所以$t=3\;\rm s$时加速度小于$1\;\rm m/{{s}^{2}}$

故选:$\rm B$

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