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高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题题目答案及解析如下,仅供参考!
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
如图所示,质量为$1\;\rm kg$的薄木板静置于水平地面上,薄木板长度为$2.5\;\rm m$,薄木板与地面的动摩擦因数为$\dfrac{2}{15}$半径为$R$的竖直光滑圆弧轨道固定在地面,轨道底端与木板等高,轨道上端点和圆心连线与水平面成$37^\circ$角。质量为$2\;\rm kg$的小物块$A$在水平恒力$F=20\;\rm N$的作用下由静止从木板左端水平向右滑行,$A$与木板间的动摩擦因数为$0.3$。当$A$到达木板右端时,木板恰好与轨道底端相碰并被锁定,同时$A$沿圆弧切线方向滑上轨道,待$A$离开轨道后,可随时解除木板锁定,解除锁定时木板的速度与碰撞前瞬间大小相等、方向相反。(取$g=10\;\rm m/s^{2}$,$\sqrt{10}$取$3.16$,$\sin37^\circ=0.6$,$\cos37^\circ=0.8$)
求木板与轨道底端碰撞前瞬间,物块$A$速度大小及恒力$F$做的功;
物块$A$速度大小是$7\\;\\rm m/s$,恒力$F$做的功$70\\;\\rm J$;
"]]对小物块进行分析,根据牛顿第二定律有$F-\mu _{1}mg=ma_{1}$
对薄木板进行分析,根据牛顿第二定律有:$\mu _{1}mg-\mu _{2}(M+m)g=Ma_{2}$
解得:$a_{1}=7\;\rm m/s^{2}$,$a_{2}=2\;\rm m/s^{2}$
物块与薄木板均向右做匀加速直线运动,当$A$到达木板右端时有$L= \dfrac{1}{2}a_{1}t_{1}^{2}-\dfrac{1}{2}a_{2}t_{1}^{2}$
解得$t_{1}=1\;\rm s$
木板与轨道底端碰撞前瞬间,令物块$A$速度为$v_{1}$,薄木板的速度为$v_{2}$,则有$v_{1}=a_{1}t_{1}$,$v_{2}=a_{2}t_{1}$
解得:$v_{1}=7\;\rm m/s$,$v_{2}=2\;\rm m/s$
根据功的定义式,恒力$F$做的功为$W_{1}=F\times \dfrac{1}{2}a_{1}t_{1}^{2}$
解得:$W_{1}=70\;\rm J$
若物块$A$到达圆弧轨道上端点时受到轨道的弹力大小为$\dfrac{164}{3}\;\rm N$,求圆弧轨道的半径$R_{1}$;
$0.75\\;\\rm m$;
"]]物块$A$到圆弧轨道最高点时斜抛速度为$v_{3}$,轨道对物块的弹力为$F_{N}$。
物块$A$从轨道最低点到最高点,根据动能定理有:$-mgR_{1}(1+\sin37^\circ)= \dfrac{1}{2}mv_{3}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}$
物块$A$到达圆弧轨道最高点时,根据牛顿第二定律有$F_{N}+mg\sin37^\circ=m\dfrac{v_{3}^{2}}{R_{1}}$
解得$v_{3}=5\;\rm m/s$,$R_{1}=0.75\;\rm m$
求物块$A$从初始位置开始到距地面最大高度的过程中重力所做的功;
$-40\\;\\rm J$
"]]设物块$A$抛出时速度$v_{3}$的水平和竖直分量分别为$v_{x}$和$v_{y}$,则有$v_{x}=v_{3}\sin37^\circ$,$v_{y}=v_{3}\cos37^\circ$
物块$A$距离地面最大高度$H=R_{1}(1+\sin37^\circ)+ \dfrac{v_{y}^{2}}{2g}$,代入数据解得:$H=2m$
则物块$A$从初始位置开始到距地面最大高度的过程中重力所做的功$W_{2}=-mgH$,代入数据解得:$W_{2}=-40\;\rm J$
若物块$A$运动到最大高度时会炸裂成物块$B$和物块$C$,其中$C$的速度为$2\;\rm m/s$,方向水平向左,为保证$C$恰好落在木板的最右端,求从物块$A$离开轨道到解除木板锁定的时间(假设解除锁定后地面和物块间的动摩擦因数变为$0$)。
$0.1\\;\\rm s$
"]]结合上述,斜抛过程物块$A$上升时间$t_{2}$$= \dfrac{v_{y}}{g}=\dfrac{4}{10}\;\rm s=0.4\;\rm s$
该段时间物块$A$向左运动距离为$x_{1}=v_{x}t_{2}$,
$C$飞出后做平抛运动,则有$H= \dfrac{1}{2}gt_{3}^{2}$,$x_{2}=v_{C}t_{3}$
薄木板右端运动到$C$落点过程有$x_{1}+x_{2}-R_{1}\cos37^\circ=v_{2}t_{4}$
从物块$A$离开轨道到解除木板锁定的时间$\Delta t=t_{2}+t_{3}-t_{4}$
代入数据解得:$\Delta t=0.1\;\rm s$
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