高中 | 匀变速直线运动的速度位移公式 题目答案及解析

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必修1

第二章 匀变速直线运动的研究

2.4 匀变速直线运动的速度与位移的关系

匀变速直线运动的速度位移公式

如图所示,长$L=1.0\;\rm m$水平传送带右端$M$与水平地面平齐并无缝对接,半径$R=0.4\;\rm m$的竖直半圆环轨道与水平地面相切于圆环的端点$P$。传送带以$v=6\;\rm m/s$的速度顺时针匀速转动,某时刻质量$m=1\;\rm kg$的物块以$v_{0}=3\;\rm m/s$速度冲上传送带的左端,经水平地面从$P$点冲上半圆环轨道后从$Q$点水平飞出,最后物块恰落在$M$点。已知物块经过$Q$点时速度是经过$P$点速度大小的$\dfrac{1}{2}$,物块与传送带间的摩擦因数$\mu_{1}=\dfrac{4}{5}$,物块与水平地面间的摩擦因数$\mu_{2}=\dfrac{9}{16}$,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$,物块的大小忽略不计,求:

物块离开传送带右端$M$时的速度大小;

[["

$5\\;\\rm m/s$

"]]

对物块受力分析,如图所示,由牛顿第二定律可得:

物块在传送带的加速度为$a_{1}=\mu _{1}g=8\;\rm m/s^{2}$

假设物块在传送带上一直做匀加速运动,根据动力学公式$x=v_{0}t+\dfrac{1}{2}a_{1}t^{2}$

解得$t=0.25\;\rm s$

物块离开传送带时的速度$v=v_{0}+a_{1}t=5\;\rm m/s\lt 6\;\rm m/s$

故假设成立,物块在传送带上运动的时间为$0.25\;\rm s$,物块离开传送带时的速度为$5\;\rm m/s$

$M$$P$两点间的距离;

[["

$0.8\\;\\rm m$

"]]

对物块受力分析,如图所示,由牛顿第二定律可得:

物块在水平地面上的加速度大小为$a_{2}=\mu_{2}g=\dfrac{90}{16}\;\text{m}/\text{s}^{2}$

$PM$间距离为$x$,由运动学公式可得$v_{P}^{2}-v^{2}=-2a_{2}x$

物块从$Q$点水平飞出,做平抛运动$2R=\dfrac{1}{2}gt^{2}$$x=v_{Q}t$

由题意可知$v_{{Q}}=\dfrac{1}{2}v_{{P}}$

联立可得$x=0.8\;\rm m$

物块经过$P$点时对轨道压力的大小。

[["

$50\\;\\rm N$

"]]

物块运动到轨道$P$时受到的支持力$F_{N}$,如图所示。由向心力公式和牛顿第二定律可得:$F_{{N}}-mg=\dfrac{mv_{{P}}^{2}}{R}$

联立可得$F_{N}=50\;\rm N$

由牛顿第三定律可得:物块经过在轨道$P$点时对轨道压力$F_{N}'$等于物块运动到轨道$P$时受到的支持力$F_{N}$,即$F_{N}'=F_{N}=50\;\rm N$

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