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2022高中物理第三章牛顿运动定律一轮复习第2讲 牛顿第二定律的基本应用

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第2讲 牛顿第二定律的基本应用
目标要求  1.掌握动力学两类基本问题的求解方法.2.会利用牛顿第二定律对超重、失重、瞬时加速度问题进行分析计算.
考点一 动力学两类基本问题
1.动力学问题的解题思路

2.解题关键
(1)两类分析——物体的受力分析和物体的运动过程分析;
(2)两个桥梁——加速度是联系运动和力的桥梁;速度是各物理过程间相互联系的桥梁.

已知受力求运动情况

例1  (2020·湖南长沙中学月考)某航母上舰载机起飞时主要靠甲板前端上翘来帮助战斗机起飞,其示意图如图1所示,飞机由静止开始先在一段水平距离为L1=160 m的水平跑道上运动,然后在长度为L2=20.5 m的倾斜跑道上滑跑,直到起飞.已知飞机的质量m=2.0×104 kg,其喷气发动机的推力大小恒为F=1.4×105 N,方向与速度方向相同,水平跑道与倾斜跑道末端的高度差h=2.05 m,飞机在水平跑道上和倾斜跑道上运动的过程中受到的平均阻力大小都为飞机重力的0.2倍,假设航母处于静止状态,飞机质量视为不变并可看成质点,倾斜跑道看作斜面,不计水平跑道和倾斜跑道连接处的影响,且飞机起飞的过程中没有出现任何故障,取g=10 m/s2.求:

图1
(1)飞机在水平跑道上运动的末速度大小;
(2)飞机从开始运动到起飞经历的时间t.
答案 (1)40 m/s (2)8.5 s
解析 (1)设飞机在水平跑道上运动的加速度大小为a1,阻力大小为F阻,在水平跑道上运动的末速度大小为v1,由牛顿第二定律得F-F阻=ma1,
F阻=0.2mg,
v12=2a1L1,
联立以上三式并代入数据解得a1=5 m/s2,v1=40 m/s.
(2)设飞机在倾斜跑道上运动的加速度大小为a2,在倾斜跑道末端的速度大小为v2,
飞机在水平跑道上的运动时间t1=v1a1=8 s,
在倾斜跑道上,由牛顿第二定律有
F-F阻-mghL2=ma2,
代入数据解得a2=4 m/s2,
由v22-v12=2a2L2,
代入数据解得v2=42 m/s,
飞机在倾斜跑道上的运动时间t2=v2-v1a2=0.5 s,
则t=t1+t2=8.5 s.

已知运动情况求受力

例2  (2020·四川天府大联考)某市启动“机动车文明礼让斑马线”活动,交警部门为样板斑马线配上了新型电子警察.一辆质量为2.0×103 kg的汽车,以54 km/h的速度沿平直道路匀速行驶,距斑马线还有30 m的距离时,驾驶员发现有行人通过斑马线,经过0.5 s的反应时间,汽车制动,开始做匀减速运动,恰好在斑马线前停住.重力加速度g=10 m/s2.
(1)求汽车制动过程中所受的合力大小;
(2)若汽车正常行驶时所受阻力为车重的120,要使汽车从静止开始匀加速经10 s使速度重新达到54 km/h,求牵引力的大小.
答案 (1)1.0×104 N (2)4.0×103 N
解析 (1)设汽车在反应时间内行驶的距离为x1,制动过程中行驶的距离为x2,加速度大小为a1,所受的合力大小为Ff1.
初速度v0=54 km/h=15 m/s,
反应时间t0=0.5 s,
由牛顿第二定律有Ff1=ma1
由匀速和匀变速直线运动规律有
x1=v0t0
x2=x-x1
v02=2a1x2
联立解得Ff1=1.0×104 N.
(2)设汽车从静止开始经10 s使速度重新达到54 km/h的过程中,加速度大小为a2,牵引力大小为F,由牛顿第二定律有F-Ff2=ma2,Ff2=0.05mg
由匀变速直线运动规律有v0=a2t加
联立解得F=4.0×103 N.

1.(已知运动情况求受力)(多选)(2020·辽宁六校协作体开学考试)如图2甲所示,物块的质量m=1 kg,初速度v0=10 m/s,在一水平向左的恒力F作用下从O点沿粗糙的水平面向右运动,某时刻F突然反向,大小不变,整个过程中物块速度的平方随位置坐标变化的关系图象如图乙所示,g=10 m/s2.下列说法中正确的是(  )

图2
A.0~5 m内物块做匀减速运动
B.在t=1 s时刻,恒力F反向
C.恒力F大小为10 N
D.物块与水平面间的动摩擦因数为0.3
答案 ABD
解析 0~5 m内,由v12-v02=2a1x1,得v12=2a1x1+v02,由题图乙知,2a1=-20 m/s2,则a1=-10 m/s2,则物块做匀减速运动,A正确;由题图乙知,物块的初速度v0=10 m/s,恒力F在5 m处反向,在0~5 m内物块运动的时间t=0-v0a1=1 s,即在t=1 s时刻,恒力F反向,B正确;5~13 m内,由v22=2a2x2得物块的加速度a2=v222x2=642×8 m/s2=4 m/s2,由牛顿第二定律得-F-μmg=ma1,F-μmg=ma2,联立两式解得F=7 N,μ=0.3,D正确,C错误.
2.(已知受力情况求运动情况)(2021·河南郑州市月考)航模兴趣小组设计出一架遥控飞行器,其质量m=2 kg,动力系统提供的恒定升力F1=32 N,试飞时飞行器从地面由静止开始竖直上升.设飞行器飞行时所受的空气阻力大小恒为f=4 N,飞行器上升9 s后由于出现故障而失去升力,出现故障9 s后恢复升力但升力变为F2=16 N,取重力加速度大小g=10 m/s2,假设飞行器只在竖直方向运动.求:
(1)飞行器9 s末的速度大小v1;
(2)飞行器0~18 s内离地面的最大高度H;
(3)飞行器落回地面的速度大小v2.
答案 (1)36 m/s (2)216 m (3)48 m/s
解析 (1)0~9 s内,飞行器受重力、升力和阻力作用做匀加速直线运动,由牛顿第二定律得:
F1-mg-f=ma1
解得a1=4 m/s2
飞行器9 s末的速度大小v1=at1=36 m/s.
(2)最初9 s内位移h1=12a1t12=162 m
设失去升力后上升阶段加速度大小为a2,上升阶段的时间为t2,由牛顿第二定律得:
f+mg=ma2
解得a2=12 m/s2
由运动学公式可得飞行器失去升力后上升阶段v1=a2t2
由运动学公式可得h2=12a2t22
飞行器0~18 s内离地面的最大高度H=h1+h2
解得t2=3 s,H=216 m.
(3)飞行器到最高点后下落,设加速度大小为a3,由牛顿第二定律得:
mg-f=ma3
解得a3=8 m/s2
恢复升力前飞行器下落的时间为t3=9 s-t2=6 s,所以其速度v2=a3t3.
解得v2=48 m/s,
由于H>12a3t32=144 m,恢复升力后F2=mg-f,所以飞行器匀速下降,可知落回地面的速度大小为48 m/s.




(1)质点从竖直圆环上沿不同的光滑弦上端由静止开始滑到圆环的最低点所用时间相等,如图3甲所示;
(2)质点从竖直圆环上最高点沿不同的光滑弦由静止开始滑到下端所用时间相等,如图乙所示 ;
(3)两个竖直圆环相切且两环的竖直直径均过切点,质点沿不同的光滑弦上端由静止开始滑到下端所用时间相等,如图丙所示.

图3
例3  (多选)如图4所示,Oa、Ob和ad是竖直平面内三根固定的光滑细杆,O、a、b、c、d位于同一圆周上,c为圆周的最高点,a为最低点,O′为圆心.每根杆上都套着一个小滑环(未画出),两个滑环从O点无初速度释放,一个滑环从d点无初速度释放,用t1、t2、t3分别表示滑环沿Oa、Ob、da到达a、b所用的时间.下列关系正确的是(  )

图4
A.t1=t2 B.t2>t3
C.t1 答案 BCD
解析 设想还有一根光滑固定细杆ca,则ca、Oa、da三细杆交于圆的最低点a,三杆顶点均在圆周上,根据等时圆模型可知,由c、O、d无初速度释放的小滑环到达a点的时间相等,即tca=t1=t3;而由c→a和由O→b滑动的小滑环相比较,滑行位移大小相同,初速度均为零,但加速度aca>aOb,由x=12at2可知,t2>tca,故选项A错误,B、C、D均正确.

考点二 超重与失重问题
基础回扣
1.超重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向上的加速度.
2.失重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向下的加速度.
3.完全失重
(1)定义:物体对支持物(或悬挂物)完全没有作用力的现象称为完全失重现象.
(2)产生条件:物体的加速度a=g,方向竖直向下.
4.实重和视重
(1)实重:物体实际所受的重力,它与物体的运动状态无关.
(2)视重:当物体在竖直方向上有加速度时,物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力将不等于物体的重力.此时弹簧测力计的示数或台秤的示数即为视重.
技巧点拨
1.判断超重和失重的方法
(1)从受力的角度判断
当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时,物体处于超重状态;小于重力时,物体处于失重状态;等于零时,物体处于完全失重状态.
(2)从加速度的角度判断
当物体具有向上的加速度时,物体处于超重状态;具有向下的加速度时,物体处于失重状态;向下的加速度等于重力加速度时,物体处于完全失重状态.
2.对超重和失重现象的理解
(1)发生超重或失重现象时,物体所受的重力没有变化,只是压力(或拉力)变大或变小了(即“视重”变大或变小了).
(2)物体处于超重或失重状态只与加速度方向有关,而与速度方向无关.
(3)物体超重或失重多少由物体的质量m和竖直加速度a共同决定,其大小等于ma.
(4)在完全失重的状态下,一切由重力产生的物理现象都会完全消失,如天平失效、浸在水中的物体不再受浮力作用、液柱不再产生压强等.

例4  (2020·黑龙江哈尔滨市第一中学高三开学考试)“蹦极”是一项非常刺激的体育运动.某人身系弹性绳自高空P点自由下落,图5中a点是弹性绳的原长位置,c是人所到达的最低点,b是人静止地悬吊着时的平衡位置,空气阻力不计,则人从P点落下到最低点c的过程中(  )

图5
A.人从a点开始做减速运动,一直处于失重状态
B.在ab段绳的拉力小于人的重力,人处于超重状态
C.在bc段绳的拉力大于人的重力,人处于超重状态
D.在c点,人的速度为零,其加速度也为零
答案 C
解析 在Pa段绳还没有被拉长,人做自由落体运动,所以处于完全失重状态,在ab段绳的拉力小于人的重力,人受到的合力向下,有向下的加速度,处于失重状态;在bc段绳的拉力大于人的重力,人受到的合力向上,有向上的加速度,处于超重状态,故A、B错误,C正确;在c点,绳的形变量最大,绳的拉力最大,人受到的合力向上,有向上的加速度,处于超重状态,故D错误.
例5  (2020·山东青岛市高三一模)如图6是某同学站在压力传感器上做下蹲-起立的动作时传感器记录的压力随时间变化的图线,纵坐标为压力,横坐标为时间.由图线可知,该同学的体重约为650 N,除此以外,还可以得到以下信息(  )

图6
A.1 s时人处在下蹲的最低点
B.2 s时人处于下蹲静止状态
C.0~4 s内该同学做了2次下蹲-起立的动作
D.下蹲过程中人始终处于失重状态
答案 B
解析 人在下蹲的过程中,先加速向下运动,此时加速度方向向下,故人处于失重状态,最后人静止,故后半段是人减速向下的过程,此时加速度方向向上,人处于超重状态,故下蹲过程中人先失重后超重,选项D错误;在1 s时人向下的加速度最大,故此时人并没有静止,它不是下蹲的最低点,选项A错误;2 s时人已经历了失重和超重两个过程,故此时处于下蹲静止状态,选项B正确;该同学在前2 s时是下蹲过程,后2 s是起立的过程,所以共做了1次下蹲-起立的动作,选项C错误.

3.(超、失重的理解和判断)(2020·山东卷·1)一质量为m的乘客乘坐竖直电梯下楼,其位移s与时间t的关系图像如图7所示.乘客所受支持力的大小用FN表示,速度大小用v表示.重力加速度大小为g.以下判断正确的是(  )

图7
A.0~t1时间内,v增大,FN>mg
B.t1~t2 时间内,v减小,FN C.t2~t3 时间内,v增大,FN D.t2~t3时间内,v减小,FN>mg
答案 D
解析 根据s-t图像的斜率表示速度可知,0~t1时间内v增大,t2~t3时间内v减小,t1~t2时间内v不变,故B、C错误;0~t1时间内速度越来越大,加速度向下,处于失重状态,则FNmg,故D正确.
4.(超、失重的有关计算)一质量为m的人站在电梯中,电梯匀加速上升,加速度大小为13g(g为重力加速度).人对电梯底部的压力大小为(  )
A.13mg B.2mg
C.43mg D.mg
答案 C
解析 根据牛顿第二定律有FN-mg=ma,解得电梯底部对人的支持力大小为FN=43mg,由牛顿第三定律知,人对电梯底部的压力大小为FN′=43mg,选项C正确.
考点三 瞬时加速度问题
1.两种模型
加速度与合外力具有瞬时对应关系,二者总是同时产生、同时变化、同时消失,当物体所受合外力发生突变时,加速度也随着发生突变,而物体运动的速度不能发生突变.

2.解题思路
分析瞬时变化前物体的受力情况→分析瞬时变化后哪些力变化或消失→
求出变化后物体所受合力根据牛顿第二定律列方程→求瞬时加速度
例6  (多选)(2020·福建厦门市外国语学校月考)两小球A、B先后用弹簧和轻杆相连,放在光滑斜面上静止,挡板C与斜面垂直,弹簧、轻杆均与斜面平行,如图8甲、乙,A、B质量相等,重力加速度为g,斜面的倾角为θ.在突然撤去挡板的瞬间(  )

图8
A.两图中两球加速度均为gsin θ
B.两图中A球的加速度均为零
C.图甲中B球的加速度为2gsin θ
D.图乙中B球的加速度为gsin θ
答案 CD
解析 撤去挡板前,对整体分析,挡板对B球的弹力大小为2mgsin θ,因弹簧弹力不能突变,而杆的弹力会突变,所以撤去挡板瞬间,题图甲中A球所受合力为零,加速度为零,B球所受合力为2mgsin θ,加速度为2gsin θ;题图乙中杆的弹力突变为零,A、B球所受合力均为mgsin θ,加速度均为gsin θ,故C、D正确,A、B错误.

5.(瞬时加速度问题)(2020·长春市榆树高级中学高三月考)如图9,吊篮用绳子悬挂在天花板上,吊篮A及物块B、C的质量均为m,重力加速度为g,则将悬挂吊篮的轻绳剪断的瞬间,下列说法正确的是(  )

图9
A.三者的加速度都为g
B.C的加速度为零,A和B的加速度为32g
C.B对A的压力为2mg
D.B对A的压力为mg
答案 B
解析 受力分析可知,物体C受重力和弹簧弹力,弹簧的弹力不能突变,在细绳剪断瞬间,C受到的弹力与重力相等,所受合力为零,则C的加速度为0;物体B与A相对静止,将A、B看作一个整体,受重力和弹簧的压力,弹簧的压力等于C物体的重力mg,对A、B组成的系统,由牛顿第二定律得a=mg+mg+mg2m=32g,故A错误,B正确;以吊篮A为研究对象,A受到重力与B对A的压力,由牛顿第二定律得mg+FN=ma,代入数据得FN=mg2,C、D错误.
课时精练

1.(多选)一人乘电梯上楼,在竖直上升过程中加速度a随时间t变化的图线如图1所示,以竖直向上为a的正方向,则人对地板的压力(  )

图1
A.t=2 s时最大 B.t=2 s时最小
C.t=8.5 s时最大 D.t=8.5 s时最小
答案 AD
解析 人乘电梯向上运动,规定向上为正方向,人受到重力和支持力两个力的作用,则有F-mg=ma,即F=mg+ma,根据牛顿第三定律知,人对地板的压力大小等于地板对人的支持力大小,将对应时刻的加速度(包含正负号)代入上式,可得选项A、D正确,B、C错误.
2.(2017·海南卷·3)汽车紧急刹车后,停止运动的车轮在水平地面上滑动直至停止,在地面上留下的痕迹称为刹车线.由刹车线的长短可知汽车刹车前的速度,已知汽车轮胎与地面之间的动摩擦因数为0.80,测得刹车线长25 m.汽车在刹车前的瞬间的速度大小为(重力加速度g取10 m/s2)(  )
A.10 m/s B.20 m/s
C.30 m/s D.40 m/s
答案 B
解析 由牛顿第二定律得μmg=ma,即a=8 m/s2,
由v2-v02=-2ax得v0=2ax=2×8×25 m/s=20 m/s,故选项B正确.
3.(2020·浙江“山水联盟”返校考)2019年11月,在温州翔宇中学举行的浙江省中学生田径锦标赛中,某校高二学生王鑫宇以2米的成绩获得冠军,如图2所示.则下列说法正确的是(不计空气阻力)(  )

图2
A.王鑫宇在上升阶段重力变大了
B.王鑫宇在空中跨越过程处于失重状态
C.王鑫宇起跳时地面对他的支持力大于他对地面的压力
D.王鑫宇在助跑过程中,地面对他的支持力做正功
答案 B
解析 王鑫宇在上升阶段只受重力,处于失重状态,且重力大小不变,所以B正确,A错误;王鑫宇起跳时地面对他的支持力与他对地面的压力是一对相互作用力,大小相等,方向相反,所以C错误;王鑫宇在助跑过程中,地面对他的支持力与运动方向垂直,不做功,所以D错误.

4.(多选)(2020·甘肃白银市靖远县第二中学高三月考)如图3,木箱内有一竖直放置的弹簧,弹簧上方有一物块;木箱静止时弹簧处于压缩状态且物块与箱顶间有作用力.若在某一段时间内,物块对箱顶刚好无压力,则在此段时间内,木箱的运动状态可能为(  )

图3
A.加速下降 B.加速上升
C.减速上升 D.减速下降
答案 BD
解析 木箱静止时物块对箱顶有压力,则物块受到箱顶向下的压力,当物块对箱顶刚好无压力时,物块受到的合力向上,所以系统应该有向上的加速度,超重,木箱可能是向上加速,也可能是向下减速,所以B、D正确.
5.(2018·浙江4月选考·8)如图4所示,小芳在体重计上完成下蹲动作.下列F-t图像能反映体重计示数随时间变化的是(  )

图4


答案 C
解析 体重计的读数为小芳所受的支持力大小,下蹲过程小芳的速度从0开始最后又回到0,因此小芳先加速运动后减速运动,加速度方向先向下后向上,即先失重后超重,所以支持力先小于重力,后大于重力,因此选C.

6.为了使雨滴能尽快地淌离房顶,要设计好房顶的高度,设雨滴沿房顶下淌时做无初速度无摩擦的运动,那么如图所示的四种情况中符合要求的是(  )

答案 C
解析 设屋檐的底角为θ,底边长为2L(不变).雨滴做初速度为零的匀加速直线运动,根据牛顿第二定律得加速度a=mgsin θm=gsin θ,位移大小x=12at2,而x=Lcos θ,2sin θcos θ=sin 2θ,联立以上各式得t=4Lgsin 2θ.当θ=45°时,sin 2θ=1为最大值,时间t最短,故选项C正确.
7.(2019·河北衡水中学第一次调研)如图5所示,一根弹簧一端固定在左侧竖直墙上,另一端连着A小球,同时水平细线一端连着A球,另一端固定在右侧竖直墙上,弹簧与竖直方向的夹角是60°,A、B两小球分别连在另一根竖直弹簧两端.开始时A、B两球都静止不动,A、B两小球的质量相等,重力加速度为g,若不计弹簧质量,在水平细线被剪断瞬间,A、B两球的加速度分别为(  )

图5
A.aA=aB=g B.aA=2g,aB=0
C.aA=3g,aB=0 D.aA=23g,aB=0
答案 D
解析 水平细线被剪断前,对A、B进行受力分析如图所示:

静止时,FT=Fsin 60°,Fcos 60°=mAg+F1,F1=F1′=mBg,又mA=mB
解得FT=23mAg
水平细线被剪断瞬间,FT消失,其他各力不变,A所受合力与FT等大反向,所以aA=FTmA=23g,aB=0,D正确.

8.如图6所示,有一半圆,其直径水平且与另一圆的底部相切于O点,O点恰好是下半圆的圆心,它们处在同一竖直平面内.现有三条光滑轨道AOB、COD、EOF,它们的两端分别位于上下两圆的圆周上,轨道与竖直直径的夹角关系为α>β>θ.现让一小物块先后从三条轨道顶端由静止下滑至底端,则小物块在每一条倾斜轨道上滑动时所经历的时间关系为(  )

图6
A.tAB=tCD=tEF B.tAB>tCD>tEF
C.tAB 答案 B
解析 如图所示,过D点作OD的垂线与竖直虚线交于G,以OG为直径作圆,可以看出F点在辅助圆内,而B点在辅助圆外,由等时圆结论可知,tAB>tCD>tEF,B项正确.

9.(2020·浙江宁波市鄞州中学初考)如图7所示,两个完全相同的轻弹簧a、b,一端固定在水平面上,另一端均与质量为m的小球相连接,轻杆c一端固定在天花板上,另一端与小球拴接.弹簧a、b和轻杆互成120°角,且弹簧a、b的弹力大小均为mg,g为重力加速度,如果将轻杆突然撤去,则撤去瞬间小球的加速度大小可能为(  )

图7
A.a=0.5g B.a=g
C.a=1.5g D.a=2g
答案 D
解析 弹簧a、b的弹力大小均为mg,当弹簧的弹力为拉力时,其合力方向竖直向下、大小为mg,轻杆对小球的拉力大小为2mg,将轻杆突然撤去时,小球合力为2mg,此时加速度大小为2g;当弹簧的弹力为压力时,其合力竖直向上、大小为mg,根据平衡条件,轻杆上的力为零,将轻杆突然撤去时,小球受到的合力为0,此时加速度大小为0,故D正确,A、B、C错误.
10.(多选)(2019·全国卷Ⅲ·20)如图8(a),物块和木板叠放在实验台上,物块用一不可伸长的细绳与固定在实验台上的力传感器相连,细绳水平.t=0时,木板开始受到水平外力F的作用,在t=4 s时撤去外力.细绳对物块的拉力f随时间t变化的关系如图(b)所示,木板的速度v与时间t的关系如图(c)所示.木板与实验台之间的摩擦可以忽略.重力加速度取10 m/s2.由题给数据可以得出(  )


图8
A.木板的质量为1 kg
B.2~4 s内,力F的大小为0.4 N
C.0~2 s内,力F的大小保持不变
D.物块与木板之间的动摩擦因数为0.2
答案 AB
解析 由题图(c)可知木板在0~2 s内处于静止状态,再结合题图(b)中细绳对物块的拉力f在0~2 s内逐渐增大,可知物块受到木板的摩擦力逐渐增大,故可以判断木板受到的水平外力F也逐渐增大,选项C错误;由题图(c)可知木板在2~4 s内做匀加速运动,其加速度大小为a1=0.4-04-2 m/s2=0.2 m/s2,对木板进行受力分析,由牛顿第二定律可得F-Ff=ma1,在4~5 s内做匀减速运动,其加速度大小为a2=0.4-0.25-4 m/s2=0.2 m/s2,Ff=ma2,另外由于物块静止不动,同时结合题图(b)可知物块与木板之间的滑动摩擦力Ff=0.2 N,解得m=1 kg、F=0.4 N,选项A、B正确;由于不知道物块的质量,所以不能求出物块与木板之间的动摩擦因数,选项D错误.
11.(2018·浙江4月选考·19)可爱的企鹅喜欢在冰面上玩游戏.如图9所示,有一企鹅在倾角为37°的倾斜冰面上,先以加速度a=0.5 m/s2从冰面底部由静止开始沿直线向上“奔跑”,t=8 s时,突然卧倒以肚皮贴着冰面向前滑行,最后退滑到出发点,完成一次游戏(企鹅在滑动过程中姿势保持不变).若企鹅肚皮与冰面间的动摩擦因数μ=0.25,已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g=10 m/s2.求:

图9
(1)企鹅向上“奔跑”的位移大小;
(2)企鹅在冰面滑动的加速度大小;
(3)企鹅退滑到出发点时的速度大小.(计算结果可用根式表示)
答案 (1)16 m (2)8 m/s2 4 m/s2 (3)234 m/s
解析 (1)在企鹅向上“奔跑”过程中:x=12at2,解得x=16 m.
(2)在企鹅卧倒以后将进行两个过程的运动,第一个过程是从卧倒到最高点,第二个过程是从最高点滑到出发点,两次过程根据牛顿第二定律分别有:
mgsin 37°+μmgcos 37°=ma1
mgsin 37°-μmgcos 37°=ma2
解得:a1=8 m/s2,a2=4 m/s2.
(3)企鹅从卧倒到滑到最高点的过程中,做匀减速直线运动,设时间为t′,位移大小为x′,则有
t′=ata1,x′=12a1t′2,
解得:x′=1 m.
企鹅从最高点滑到出发点的过程中,设末速度为vt,初速度为0,则有:
vt2-02=2a2(x+x′)
解得:vt=234 m/s.
12.(2021·辽宁大连市四十八中模拟)如图10所示,光滑斜面AB与一粗糙水平面BC连接,斜面倾角θ=30°,质量m=2 kg的物体置于水平面上的D点,DB间的距离d=7 m,物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.2,将一水平向左的恒力F=8 N作用在该物体上,t=2 s后撤去该力,不考虑物体经过B点时的速度损失.求撤去拉力F后,经过多长时间物体经过B点?(g取10 m/s2)

图10
答案 1 s和1.8 s
解析 撤去F前,由牛顿第二定律得F-μmg=ma1,
解得a1=2 m/s2,
由匀变速直线运动规律得x1=12a1t2=4 m,
v1=a1t=4 m/s,
撤去F后,
由牛顿第二定律得μmg=ma2,
解得a2=μg=2 m/s2,
d-x1=v1t1-12a2t12,
解得第一次到达B点的时间t1=1 s,t1=3 s(舍去),
第一次到达B点的速度v2=v1-a2t1=2 m/s,
之后物体滑上斜面,由牛顿第二定律得mgsin θ=ma3,
解得a3=gsin θ=5 m/s2,
物体再经t2=2v2a3=0.8 s第二次到达B点,
故撤去拉力F后,经过1 s和1.8 s时物体经过B点.

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