題目列表(包括答案和解析)
第三部分 運動學(xué)
第一講 基本知識介紹
一. 基本概念
1. 質(zhì)點
2. 參照物
3. 參照系——固連于參照物上的坐標系(解題時要記住所選的是參照系,而不僅是一個點)
4.絕對運動,相對運動,牽連運動:v絕=v相+v牽
二.運動的描述
1.位置:r=r(t)
2.位移:Δr=r(t+Δt)-r(t)
3.速度:v=limΔt→0Δr/Δt.在大學(xué)教材中表述為:v=dr/dt, 表示r對t 求導(dǎo)數(shù)
5.以上是運動學(xué)中的基本物理量,也就是位移、位移的一階導(dǎo)數(shù)、位移的二階導(dǎo)數(shù)?墒
三階導(dǎo)數(shù)為什么不是呢?因為牛頓第二定律是F=ma,即直接和加速度相聯(lián)系。(a對t的導(dǎo)數(shù)叫“急動度”。)
6.由于以上三個量均為矢量,所以在運算中用分量表示一般比較好
三.等加速運動
v(t)=v0+at r(t)=r0+v0t+1/2 at2
一道經(jīng)典的物理問題:二次世界大戰(zhàn)中物理學(xué)家曾經(jīng)研究,當大炮的位置固定,以同一速度v0沿各種角度發(fā)射,問:當飛機在哪一區(qū)域飛行之外時,不會有危險?(注:結(jié)論是這一區(qū)域為一拋物線,此拋物線是所有炮彈拋物線的包絡(luò)線。此拋物線為在大炮上方h=v2/2g處,以v0平拋物體的軌跡。)
練習(xí)題:
一盞燈掛在離地板高l2,天花板下面l1處。燈泡爆裂,所有碎片以同樣大小的速度v 朝各個方向飛去。求碎片落到地板上的半徑(認為碎片和天花板的碰撞是完全彈性的,即切向速度不變,法向速度反向;碎片和地板的碰撞是完全非彈性的,即碰后靜止。)
四.剛體的平動和定軸轉(zhuǎn)動
1. 我們講過的圓周運動是平動而不是轉(zhuǎn)動
2. 角位移φ=φ(t), 角速度ω=dφ/dt , 角加速度ε=dω/dt
3. 有限的角位移是標量,而極小的角位移是矢量
4. 同一剛體上兩點的相對速度和相對加速度
兩點的相對距離不變,相對運動軌跡為圓弧,VA=VB+VAB,在AB連線上
投影:[VA]AB=[VB]AB,aA=aB+aAB,aAB=,anAB+,aτAB, ,aτAB垂直于AB,,anAB=VAB2/AB
例:A,B,C三質(zhì)點速度分別VA ,VB ,VC
求G的速度。
五.課后習(xí)題:
一只木筏離開河岸,初速度為V,方向垂直于岸邊,航行路線如圖。經(jīng)過時間T木筏劃到路線上標有符號處。河水速度恒定U用作圖法找到在2T,3T,4T時刻木筏在航線上的確切位置。
五、處理問題的一般方法
(1)用微元法求解相關(guān)速度問題
例1:如圖所示,物體A置于水平面上,A前固定一滑輪B,高臺上有一定滑輪D,一根輕繩一端固定在C點,再繞過B、D,BC段水平,當以恒定水平速度v拉繩上的自由端時,A沿水平面前進,求當跨過B的兩段繩子的夾角為α?xí)r,A的運動速度。
(vA=)
(2)拋體運動問題的一般處理方法
(1)將斜上拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的豎直上拋運動
(2)將沿斜面和垂直于斜面方向作為x、y軸,分別分解初速度和加速度后用運動學(xué)公式解題
(3)將斜拋運動分解為沿初速度方向的斜向上的勻速直線運動和自由落體運動兩個分運動,用矢量合成法則求解
例2:在擲鉛球時,鉛球出手時距地面的高度為h,若出手時的速度為V0,求以何角度擲球時,水平射程最遠?最遠射程為多少?
(α=、 x=)
第二講 運動的合成與分解、相對運動
(一)知識點點撥
參考系的轉(zhuǎn)換:動參考系,靜參考系
相對運動:動點相對于動參考系的運動
絕對運動:動點相對于靜參考系統(tǒng)(通常指固定于地面的參考系)的運動
牽連運動:動參考系相對于靜參考系的運動
(5)位移合成定理:SA對地=SA對B+SB對地
速度合成定理:V絕對=V相對+V牽連
加速度合成定理:a絕對=a相對+a牽連
(二)典型例題
(1)火車在雨中以30m/s的速度向南行駛,雨滴被風(fēng)吹向南方,在地球上靜止的觀察者測得雨滴的徑跡與豎直方向成21。角,而坐在火車里乘客看到雨滴的徑跡恰好豎直方向。求解雨滴相對于地的運動。
提示:矢量關(guān)系入圖
答案:83.7m/s
(2)某人手拿一只停表,上了一次固定樓梯,又以不同方式上了兩趟自動扶梯,為什么他可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)來計算自動扶梯的臺階數(shù)?
提示:V人對梯=n1/t1
V梯對地=n/t2
V人對地=n/t3
V人對地= V人對梯+ V梯對地
答案:n=t2t3n1/(t2-t3)t1
(3)某人駕船從河岸A處出發(fā)橫渡,如果使船頭保持跟河岸垂直的方向航行,則經(jīng)10min后到達正對岸下游120m的C處,如果他使船逆向上游,保持跟河岸成а角的方向航行,則經(jīng)過12.5min恰好到達正對岸的B處,求河的寬度。
提示:120=V水*600
D=V船*600
答案:200m
(4)一船在河的正中航行,河寬l=100m,流速u=5m/s,并在距船s=150m的下游形成瀑布,為了使小船靠岸時,不至于被沖進瀑布中,船對水的最小速度為多少?
提示:如圖船航行
答案:1.58m/s
(三)同步練習(xí)
1.一輛汽車的正面玻璃一次安裝成與水平方向傾斜角為β1=30°,另一次安裝成傾角為β2=15°。問汽車兩次速度之比為多少時,司機都是看見冰雹都是以豎直方向從車的正面玻璃上彈開?(冰雹相對地面是豎直下落的)
2、模型飛機以相對空氣v=39km/h的速度繞一個邊長2km的等邊三角形飛行,設(shè)風(fēng)速u = 21km/h ,方向與三角形的一邊平行并與飛機起飛方向相同,試求:飛機繞三角形一周需多少時間?
3.圖為從兩列蒸汽機車上冒出的兩股長幅氣霧拖尾的照片(俯視)。兩列車沿直軌道分別以速度v1=50km/h和v2=70km/h行駛,行駛方向如箭頭所示,求風(fēng)速。
4、細桿AB長L ,兩端分別約束在x 、 y軸上運動,(1)試求桿上與A點相距aL(0< a <1)的P點運動軌跡;(2)如果vA為已知,試求P點的x 、 y向分速度vPx和vPy對桿方位角θ的函數(shù)。
(四)同步練習(xí)提示與答案
1、提示:利用速度合成定理,作速度的矢量三角形。答案為:3。
2、提示:三角形各邊的方向為飛機合速度的方向(而非機頭的指向);
第二段和第三段大小相同。
參見右圖,顯然:
v2 = + u2 - 2v合ucos120°
可解出 v合 = 24km/h 。
答案:0.2hour(或12min.)。
3、提示:方法與練習(xí)一類似。答案為:3
4、提示:(1)寫成參數(shù)方程后消參數(shù)θ。
(2)解法有講究:以A端為參照, 則桿上各點只繞A轉(zhuǎn)動。但鑒于桿子的實際運動情形如右圖,應(yīng)有v牽 = vAcosθ,v轉(zhuǎn) = vA,可知B端相對A的轉(zhuǎn)動線速度為:v轉(zhuǎn) + vAsinθ= 。
P點的線速度必為 = v相
所以 vPx = v相cosθ+ vAx ,vPy = vAy - v相sinθ
答案:(1) + = 1 ,為橢圓;(2)vPx = avActgθ ,vPy =(1 - a)vA
如右圖所示, L1和L2是輸電線,用電壓互感器和電流互感器測輸電功率。若已知甲的兩線圈匝數(shù)比為50∶1,乙的兩線圈匝數(shù)比為20∶l,并且已知加在電壓表兩端的電壓為220V,通過電流表的電流為5A,則輸電線的輸送功率為 ( )
A.甲是電壓互感器,乙是電流互感器
B.乙是電壓互感器,甲是電流互感器
C.1.21×107W
D.1.1×106W
如右圖所示,L1和L2是輸電線,用電壓互感器和電流互感器測輸電功率。若已知甲的兩線圈匝數(shù)比為50∶1,乙的兩線圈匝數(shù)比為20∶l,并且已知加在電壓表兩端的電壓為220V,通過電流表的電流為5A,則輸電線的輸送功率為 ( )
A.甲是電壓互感器,乙是電流互感器
B.乙是電壓互感器,甲是電流互感器
C.1.21×107W
D.1.1×106W
l1 |
l3 |
l1 |
l3 |
高考真題
1.【解析】由合力與分的關(guān)系可知,合力最大應(yīng)是它們同向,最小應(yīng)是它們反向
【答案】B
2.【解析】重力是地球的吸引而產(chǎn)生的,地球上一切物體都受到重力,與物體的運動狀態(tài)無關(guān),重力的方向是豎直向下
【答案】D
3.【解析】如圖所示,力F產(chǎn)生了兩個作用效果,一個是使B壓緊豎直墻面的力F1,一個是壓緊A的力F2,用整體法進行分析,可知F1和F3的大小相等,當力F緩慢增大時,合力的方向和兩個分力的方向都沒有發(fā)生變化,所以當合力增大時兩個分力同時增大,C正確
【答案】C
4.【解析】將力F進行分解,再由整體法在豎直方向運用平衡
條件可列式:Fsinθ+N=mg+Mg,則N= mg+Mg-Fsinθ
【答案】D
5.【解析】豎直掛時,當質(zhì)量為2m放到斜面上時,,因兩次時長度一樣,所以也一樣。解這兩個方程可得,物體受到的摩擦力為零,A正確。
【答案】A
6.【解析】設(shè)剛性細桿中彈力為F,光滑的半球面對小球a的彈力為Fa,對小球b的彈力為Fb,分別隔離小球a和b對其分析受力并應(yīng)用平行四邊形定則畫出受力分析。由細桿長度是球面半徑的倍可得出三角形Oab是直角三角形,∠Oab=∠Oba=45°。對△bFB應(yīng)用正弦定理得兩式聯(lián)立消去F得sin(45°+θ)= sin(45°―θ)
顯然細桿與水平面的夾角θ=15°,正確選項是D。
【答案】D
7.【解析】考查牛頓運動定律。設(shè)減少的質(zhì)量為△m,勻速下降時:Mg=F+kv,勻速上升時:Mg-△mg+kv = F,解得△mg = 2(M-),A正確。
【答案】A
8.【解析】⑴空載時合力為零:
已知:fB=2fA 求得:fA=200 kN fB=400 kN
設(shè)機架重心在中心線右側(cè),離中心線的距離為x,以A為轉(zhuǎn)軸
求得:x=1.5 m
⑵以A為轉(zhuǎn)軸,力矩平衡
求得:FB=450 kN
【答案】(1)x=1.5 m;(2)B=450 kN
9.【解析】讀數(shù)時應(yīng)估讀一位,所以其中l(wèi)5 、 l6兩個數(shù)值在記錄時有誤
【答案】①l5 ;l6;②6.85(6.84-6.86) ;14.05(14.04-14.06);
③l7-l3 ;7.20(7.18-7.22) ;④
名校試題
1.【解析】 猴子受重力和兩個拉力人作用,所以選項A正確;兩拉力的合力與重力平衡,B錯;地球?qū)镒拥囊εc猴子對地球的引力是一對作用力和反作用力,C正確;猴子靜止合力總為零,選項D錯
2.【解析】由力的三角形定則,在重力不變的情況下,、和重力構(gòu)成一個封閉的三角形,從而得到、均減小
【答案】A
3.【解析】由受力分析和摩擦力的產(chǎn)生條件可得選項C正確
【答案】C
4.【解析】由圖可知彈簧先壓縮后伸長,當彈簧的長度為6cm時,彈力為零,所以彈簧的原長為6cm;當彈簧伸長2cm時,彈力為2N,故彈簧的勁度系數(shù)為100N/m
【答案】BC
5.【解析】 隔離物體B可知,繩的張力不變,所以選項A錯;隔離物體A得選項D正確
【答案】D
6.【解析】 以整體為研究對象,設(shè)斜面的傾角為,則F3 ,是個定值不變;隔離球乙,求得F1緩慢減。
【答案】D
7.【解析】(1)輸電線線冰層的體積V冰 = πR2L
由對稱關(guān)系可知,塔尖所受壓力的增加值等于一根導(dǎo)線上冰層的重力,即
ΔN = ρV冰 g= πρR2Lg
(2)輸電線與冰層的總質(zhì)量M' = m0L + πρR2Lg,輸電線受力如圖甲所示。
由共點力的平衡條件,得2F1cosθ = m0Lg + πρR2Lg
輸電線在最高點所受的拉力
半根輸電線的受力如圖乙所示。
由共點力的平衡條件,得F2 = F1sinθ
【答案】(1)πρR2Lg;(2)
8.【解析】⑴根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標紙上描出的點,基本上在同一條直線上?梢耘卸‵和L間是一次函數(shù)關(guān)系。畫一條直線,使盡可能多的點落在這條直線上,不在直線上的點均勻地分布在直線兩側(cè)。(5分)
由可得k=25N/m。
【答案】k=25N/m。
9.【解析】不正確。 平行于斜面的皮帶對圓柱體也有力的作用。
(1)式應(yīng)改為:Fcosβ+F=mgsinα ②
由②得30N=10N ③
將③代入②得FN=mgcosα-Fsinβ=30×0.8-10×0.6N=18N ④
【答案】18N
10.【解析】原來勻速時F1= (1)當F2為推力且與F1夾角為時,有因為F2=F1,解得(2)當F2為拉力且與水平方向成角時,有
綜上所述,當力F2與F1在同一豎直平面內(nèi),力F2的方向與力F1的夾角為arccotu或
【答案】
11.【解析】對B球,受力分析如圖所示。
Tcos300=NAsin300 ………….①
∴ T=2mg
對A球,受力分析如圖D-1所示。在水平方向
Tcos300=NAsin300 …………………..②
在豎直方向
NAcos300=mAg+Tsin300 …………………③
【答案】由以上方程解得:mA=2m
考點預(yù)測題
1.【解析】滑動摩擦力F的大小跟物體的相對運動速度的大小沒有關(guān)系.本題選項為AB
【答案】AB.
2.【解析】本題的立意在考查滑動摩擦力方向的判斷,物體A在水平方向有相對圓柱體向左的速度υ′,υ′ = ωr = 1.8m/s;在豎直方向有相對圓柱體向下的速度υ0 = 2.4m/s,所以綜合起來A相對于圓柱體的合速度為v,如圖18右所示,且υ= = 3m/s?
合速度與豎直方向的夾角為θ,則cosθ = =
A做勻速運動,其受力如圖18左所示 圖18
豎直方向平衡,有Ff cosθ = mg,得Ff = = 12.5N?另Ff =μFN,F(xiàn)N =F,故F = = 50N
【答案】50N
3.【解析】由題給條件知未施加力F時,彈簧的彈力大小為
物塊A與地面間的滑動摩擦力大小為
物塊B與地面間的滑動摩擦力大小為
令施加力F后裝置仍處于靜止狀態(tài),B受地面的摩擦力為fB,A受地面的摩擦力為fA,由平衡條件有:,
代入數(shù)據(jù)解得:,
因,表明物塊B的確仍處于靜止狀態(tài)。
綜合以上分析可知,所給選項中只有C項正確。
【答案】C
4.【解析】此題材把四種不同的物理情景的彈簧放在一起,讓學(xué)生判別彈簧的伸長量的大小,實際上就是判斷四種情景下彈簧所受彈力的大小。由于彈簧的質(zhì)量不計,所以不論彈簧做何種運動,彈簧各處的彈力大小都相等。因此這情況下彈簧的彈力是相等,即四個彈簧的伸長量是相等。只有D選項正確。
【答案】D
5.【解析】在水對大壩壓力一定的情況下,A圖所示,為晾衣繩原理中最大情況,即大壩受力最大。固不是最佳方案,而B圖與C、D圖的區(qū)別在于:B圖大壩所受壓力傳遞給壩墩,而C、D圖所受壓力將直接作用在在壩上,受力分析,如圖22所示,所以該題選B。 圖22
【答案】B
6.【解析】(1)設(shè)c′點受兩邊繩的張力為T1和T2,的夾角為θ,如圖所示。依對稱性有:T1=T2=T 由力的合成有 : 而=90-
所以 F=2Tsinθ
根據(jù)幾何關(guān)系有 sinθ=
聯(lián)立上述二式解得 T= ,因d<<L,故
(2)將d=10mm,F(xiàn)=400N,L=250mm代入,解得 T=2.5×103N , 即繩中的張力為2.5×103N
【答案】2.5×103N
7.【解析】因為物體處于靜止狀態(tài),根據(jù)受力平衡得正確答案為C。
【答案】C
8.【解析】設(shè)繩子的拉力為F,將P。Q看作一個整體進行受力分析,整體受兩繩相等的拉力和地面的摩擦力做勻速運動,故有 F=2 F+2μmg隔離物體Q由平衡條件有:F=μmg,代入F得:F=4μmg。所以選項A正確。
【答案】A
9.【解析】物體P靜止不動,輕繩上拉力和P的重力平衡,故輕繩上拉力一定不變,D項正確。若開始時,Q有下滑趨勢,靜摩擦力沿斜面向上,用水平恒力向左推Q,則靜摩擦力減;若開始時,Q有上滑趨勢,靜摩擦力沿斜面向下,用水平恒力向左推Q,則靜摩擦力增大。因此,Q受到的摩擦力大小不確定。所以選項D正確
【答案】D
10.【解析】本題的難點是判斷硬桿對C點彈力的方向,不少學(xué)生認為該力的方向應(yīng)沿C點桿的切線方向,而不是沿BC方向。若是以桿為研究對象,桿只受到兩個力(因為桿的質(zhì)量忽略不計);即兩個端點對桿的作用力,桿處于平衡,這兩個力一定是一對平衡力,若是C點的力不經(jīng)過B點,那么這兩個力不在一條直線上,肯定不是一對平衡力,桿就不能平衡。所以對桿的作用力方向的分析,千萬不能將其當做繩對待。對于輕桿平衡時,它只有兩上端點所受的力,這兩個力一定是一對平衡力。以 C點為研究對象,作出C點受力圖如圖所示。物體對C點向下的拉力大小等于重力mg,繩AC的拉力T沿繩指向A,硬桿對C點的彈力N,由于硬桿的質(zhì)量不計,故桿的彈力N方向沿BC的連線方向,同時有幾何關(guān)系。圖中的T和mg的合力與N是一對平衡力,且合力方向與T和mg的夾角均相同,由三角形知識可得T=mg 。
【答案】T=mg
11. 【解析】先分析B球受力情況,因OB處于豎直狀態(tài),拉力豎直向上,由平衡條件可知,B球只受重力和OB的拉力作用,線BA中無作用力。再分析A球受力,A球受重力、OA拉力和外力F,由平衡條件知該力可能是圖F2、F3,選項B.C正確
【答案】B.C
12.【解析】將滑輪掛到細繩上,對滑輪進行受力分析如圖所示,滑輪受到重力和AK和BK的拉力F,且兩拉力相等,由于對稱,因此重力作用線必過AK和BK的角平分線。延長AK交墻壁于C點,因KB =KC,所以由已知條件 AK+ KC = AC=2AO,所以圖中的角度α =30°,此即兩拉力與重力作用線的夾角。兩個拉力的合力R與重力等值反向,所以:
2 F cos30° = R =G, 所以F = mg/2cos30° = mg/3 。
【答案】 mg/3
13.【解析】因光滑掛鉤與輕滑輪模型相同,輕質(zhì)掛鉤的受力如圖所示,
由平衡條件可知,T1、T2合力與G等大反向,且T1=T2。
所以 T1sinα +T2sinα =T3= G
即T1=T2=,而 AO?cosα+BO.cosα= CD,
所以 cosα =0.8
sin=0.6,T1=T2=10N
【答案】10N
14.【解析】分析物體受力情況,選斜面方向為x 軸,垂直斜面方向為y 軸,把不在軸上的重力G
水平分力F分解到坐標軸上,由于物體處于平衡狀態(tài),則有
…
解得:
【答案】
15.【解析】如圖所示,利用直尺、皮卷尺、漏斗、細沙等實驗器材,用裝滿細沙漏斗朝水平地面堆積,從漏斗中落下的細沙總是在地面上形成一個小圓錐體,繼續(xù)下落時,細沙由圓錐面表面下滑,當圓錐體的母線與地面的夾角達到一定角度時,細沙不再下滑,用直尺測量小圓錐體高度h,皮卷尺測量小圓錐體底面周長C,則由得。
【答案】
16.【解析】(1)當砂輪靜止時,把AB桿和工件看成一個物體,它受到的外力對A軸的力矩有:重力的力矩()砂輪對工件的支持力的力矩,的力矩
由力矩的平衡,得
解得 代入數(shù)據(jù)得
(2)當砂輪轉(zhuǎn)動時,除重力、支持力和的力矩外,還有砂輪作用于工件的摩擦力的力矩。由力矩的平平衡;得
解得 代入數(shù)據(jù)得
【答案】(1) (2)
17.【解析】(1)空載時,桿桿秤恰好平衡,秤桿、配重物及掛鉤所受重力相對提紐的合力矩M正好等于兩套筒相對于提紐的力矩. 提紐到掛鉤的距離為d=2cm,套筒的長L=16cm. 此時,兩套筒重心到提紐的距離為(L/2-d). 兩套筒質(zhì)量m=0.1kg.
則M=2mg(L/2-d)=0.12Nm.
(2)當在秤鉤上掛一物體時,掛鉤處增加一個重力m1g,它產(chǎn)生一個逆時針方向的力矩m1gd應(yīng)當與由于兩套筒向右移動增加的力矩相平衡,則
。1gd=mgX1+mg(X1+X2),其中X1=5cm、X2=8cm為兩套筒右移距離.
代入數(shù)據(jù)解得待測物體質(zhì)量m1=0.9 kg.
(3)注意該桿秤的刻度特點:內(nèi)層刻度是依據(jù)內(nèi)層左側(cè)與秤的最左端的距離來刻的、外層刻度是依據(jù)外層左側(cè)與內(nèi)層左側(cè)的距離來刻的. 外層套筒丟失前,掛物m2g=1kg,內(nèi)層刻度為1kg,外層刻度為零,此時內(nèi)、外層共同向右移動X桿秤力矩平衡. 則
。2gd=2mgX,得X=m2d/(2m)=0.1m.
由于外層套筒丟失,內(nèi)層讀數(shù)為1kg時,內(nèi)筒左端離提紐的距離為X-d,內(nèi)筒重心離提紐的距離為(X-d+L/2),此時內(nèi)筒所產(chǎn)生的力矩與待測物產(chǎn)生力矩m3gd及力矩M相平衡,即m3gd+M=mg(X-d+L/2),代入數(shù)據(jù)解得待測物質(zhì)量m3=0.2kg.
【答案】(1)0.12Nm (2)0.9 kg. (3)m3=0.2kg.
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