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

小董同学使用了质量为$600\;\rm g$,直径为$24.2\;\rm cm$的篮球开展运动,篮球受到空气阻力,重力加速度$g$$9.8\;\rm m/s^{2}$

小董同学通常伸出双手迎接传来的篮球。接球时,两手随球迅速收缩至胸前,这样做可以$(\qquad)$

["

减小球对手的冲量

","

减小球对手的冲击力

","

减小球的动量变化量

","

减小球的动能变化量

"]
[["B"]]

篮球运动员通常伸出双手迎接传来的篮球。接球时,两手随球迅速收缩至胸前,根据动量定理$Ft=\Delta p$,这样做能在保证动量变化量一定的情况下,延长手和球作用的时间,减小球对手的作用力;

故选:$\rm B$

小董同学练习传球时篮球沿直线运动的频闪照片如下图所示,此运动篮球的$(\qquad)$

["

速度向左

","

速度向右

","

加速度向左

","

加速度向右

"]
[["D"]]

由图无法判断速度方向,若篮球向右运动,则由图可知篮球向右加速,则加速度向右,若篮球向左运动,则篮球向左减速,加速度依然向右;

故选:$\rm D$

将篮球斜向上抛出,篮球落入篮筐,对篮球做功约为$(\qquad)$

["

$100\\;\\rm J$

","

$50\\;\\rm J$

","

$10\\;\\rm J$

","

$1\\;\\rm J$

"]
[["C"]]

将篮球从斜向上抛出时的速度$v_{0}$大约为$5\;\rm m/s\sim 10\;\rm m/s$,根据篮球的质量$m=0.6\;\rm kg$和动能定理公式$W= \dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$,可以算得将篮球抛出时对篮球做的功大约为$7.5\;\rm J\sim 30\;\rm J$

故选:$\rm C$

篮球在空中运动到图示位置时,所受合力$F-$速度$v$的方向关系最可能为$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["B"]]

篮球在空中运动到图示位置时,所受重力的方向竖直向下,所受空气阻力的方向沿左下方,则所受合力$—$速度的方向关系最可能为图$B$所示的情况;

故选:$\rm B$

篮球落入篮筐后,小董发现篮球框不标准,篮球卡在球筐上,如图所示,可抽象为简化图($a$)。测量出球框直径为$12.3\;\rm cm$,则单位长度球框对篮球弹力的大小为                 $\;\rm N$;(结果保留$3$位有效数字)

[["$17.6$"]]

对篮球受力分析,如图:

由几何关系可知$\sin\alpha=\dfrac{\dfrac{1}{2}d_{框}}{\dfrac{1}{2}d_{球}}=\dfrac{\dfrac{1}{2} \times 12.3}{\dfrac{1}{2} \times 24.2} \approx 0.5$,则$\alpha$$=30^\circ$,由平衡条件可得:$2 N\cos\alpha=mg$,则单位长度球框对篮球弹力的大小为$N'=\dfrac{2N}{\pi d_{框}}$,解得$N'≈17.6\;\rm N$

小董同学练习长传,篮球从离地高为$2.5\;\rm m$处由静止开始下落,经过$1.0\;\rm s$落地时速度大小为$4\;\rm m/s$,着地经$0.2\;\rm s$速度减小为$0$,重力加速度$g$$9.8\;\rm m/s^{2}$,则篮球下落过程中克服空气阻力做的功为                 $\;\rm J$,则篮球下落过程中所受阻力的冲量大小为                 $\;\rm N·s$,着地时受地面支持力的冲量大小为                 $\;\rm N·s$

[["$9.9$","$3.48$","$3.576$"]]

篮球从离地高为$2.5\;\rm m$处由静止开始下落至落地的过程中,根据动能定理得$mgh-W_{阻}= \dfrac{1}{2}mv^{2}$,代入数据解得$W_{阻}=9.9\;\rm J$

篮球从离地高为$2.5\;\rm m$处由静止开始下落至落地的过程中,取竖直向下的方向为正方向,根据动量定理得$mgt_{1} − I_{阻}=mv$,代入数据解得$I_{阻}=3.48\;\rm N\cdot s$

取竖直向下的方向为正方向,全程根据动量定理得$mg(t_{1}+t_{2}) − I_{阻} − I_{支}=0$,解得$I_{支}=3.576\;\rm N\cdot s$

从地面上以大小为$v_{0}$的初速度竖直上抛篮球,一段时间后落回地面的速度大小为$v$,运动过程中篮球受到的阻力大小与其速率成正比,重力加速度大小为$g$,则上升的时间                 (选涂:$\rm A$.大于,  $\rm B$.小于)下降的时间,整个过程的运动间为                 

[["$\\rm B$","$\\dfrac{v_{0}+v}{g}$"]]

对篮球上升过程和下降的整个过程,根据动能定理得$W_{阻}=\dfrac{1}{2}mv^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2} \lt 0$,则得$v_{0}\gt v$,所以篮球上升过程中的平均速度大于下降过程的平均速度,而篮球上升和下降过程位移大小相同,所以则上升的时间小于下降的时间。

故选:$\rm B$

对于篮球上升过程和下降过程,取竖直向上的方向为正方向,根据动量定理和题意有$- mgt_{1}-k{\overline{v}}_{1}t_{1}=0-mv_{0}$$- mgt_{2}-k{\overline{v}}_{2}t_{2}=- mv-0$

由于上升和下降过程位移大小相等,则有${\overline{v}}_{2}t_{2}={\overline{v}}_{1}t_{1}$

而篮球上升和下降过程的总时间$t$$t=t_{1}+t_{2}$

联立解得$t=\dfrac{v_{0}+v}{g}$

此后篮球经历了多次与地面碰撞弹起又落下的过程,如图反映的是篮球某段运动过程的速度与时间的关系,关于此过程,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

此过程为篮球弹起又落下过程

","

此过程为篮球落下又弹起的过程

","

此过程中篮球的加速度先增大后减小

","

此过程中篮球的速度先减小后增大

"]
[["AD"]]

$\rm ABD$.由图可知篮球的速度先减小后反向增大,则此过程为篮球弹起又落下过程,故$\rm AD$正确,$\rm B$错误;

$\rm C$.图像切线斜率代表加速度,由图可知篮球的加速度减小,故$\rm C$错误。

故选:$\rm AD$

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