某同学利用图(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图.如图(b)所示.实验中小车(含发射器)的质量为200g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮,小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到.回答下列问题:
(1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成 (填“线性”或“非线性”)关系.
(2)由图(b)可知,a﹣m图线不经过原点,可能的原因是存在 .
(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实脸中应采取的改进措施是 ,钩码的质量应满足的条件是 .
解:(1)根据该同学的结果得出a﹣m图线是曲线,即小车的加速度与钩码的质量成非线性关系;
(2)从上图中发现直线没过原点,当a=0时,m≠0,即F≠0,也就是说当绳子上拉力不为0时,小车的加速度为0,所以可能的原因是存在摩擦力.
(3)若利用本实验来验证“小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实验中应采取的改进措施是:
①调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力,即使得绳子上拉力等于小车的合力.
②根据牛顿第二定律得,整体的加速度a=,则绳子的拉力F=Ma=,知钩码的质量远小于小车的质量时,绳子的拉力等于钩码的重力,所以钩码的质量应满足的条件是远小于小车的质量.
某滑块以一定的初速度沿斜面做匀减速直线运动,恰好到达斜面的顶端,若滑块在最开始2s内的位移是最后2s内的位移的两倍,且滑块第1s内的位移为2.5m.问:
(1)滑块在斜面运动的总时间是多少?
(2)斜面的长度是多少?
解:(1)设物体运动的加速度为a,运动总时间为t,把物体运动看成反向的初速度为0的匀加速直线运动,则有:
最后2s内位移为:s1==2a
最初2s内位移为:s2=﹣a(t﹣2)2=2at﹣2a,
又因为s2:s1=2:1,则有
2at﹣2a=4a
解得:总时间t=3s.
(2)第一秒的位移为:s3=﹣a(t﹣1)2,
所以9a﹣4a=5
解得a=1m/s2,
则斜面长度x==×1×9m=4.5m.
一弹簧一端固定在倾角为37°光滑斜面的底端,另一端拴住的质量m1=4kg的物块P,Q为一重物,已知Q的质量m2=8kg,弹簧的质量不计,劲度系数k=600N/m,系统处于静止,如右图所示.现给Q施加一个方向沿斜面向上的力F,使它从静止开始斜向上做匀加速运动,已知在前0.2s时间内,F为变力,0.2s以后,F为恒力.求力F的最大值与最小值.(g=10m/s2)
解:设刚开始时弹簧压缩量为x0
则(m1+m2)gsin θ=kx0①
因为在前0.2 s时间内,F为变力,0.2 s以后,F为恒力,所以在0.2 s时,P对Q的作用力为0,
由牛顿第二定律知
kx1﹣m1gsin θ=m1a ②
前0.2 s时间内P、Q向上运动的距离为
x0﹣x1=at2③
①②③式联立解得a=3 m/s2
当P、Q开始运动时拉力最小,此时有
Fmin=(m1+m2)a=36 N
当P、Q分离时拉力最大,此时有
Fmax=m2(a+gsin θ)=72 N.
如图所示,在倾角为θ=30°的固定斜面上,跨过定滑轮的轻绳一端系在小车的前端,另一端被坐在小车上的人拉住.已知人的质量为60kg,小车的质量为10kg,绳及滑轮的质量、滑轮与绳间的摩擦均不计,斜面对小车间的摩擦阻力为人和小车总重力的0.1倍,取重力加速度g=10m/s2,当人以280N的力拉绳时,试求(斜面足够长):
(1)人与车一起向上运动的加速度大小;
(2)人所受摩擦力的大小和方向;
(3)某时刻人和车沿斜面向上的速度为3m/s,此时人松手,则人和车一起滑到最高点所用时间为多少?
解:(1)对整体,设人的质量为m1,小车质量为m2,斜面对小车的摩擦力为f1=k(m1+m2)g,小车对人的静摩擦力为f2,绳子上的张力为F.则:
2F﹣(m1+m2)gsin30°﹣f1=(m1+m2)a,①
f1=k(m1+m2)g,②
解得a=2m/s2
故人与车一起运动的加速度大小为2 m/s2.方向沿斜面向上;
(2)对人受力分析知
F﹣m1gsin30°+f2=m1a,
解得f2=140N,方向沿斜面向上
故人所受摩擦力的大小为140N,方向沿斜面向上.
(3)撤去拉力后,人和车共同加速度为:a1=gsin30°+0.1g=6m/s2;
人和车一起滑到最高点所用时间t==0.5s;
如图甲所示,倾斜传送带倾角θ=37°,两端A、B间距离为L=4m,传送带以4m/s的速度沿顺时针转动,一质量为1kg的小滑块从传送带顶端B点由静止释放下滑,到A时用时2s,g取10m/s2,求:
(1)小滑块与传送带间的动摩擦因数;
(2)若该小滑块在传送带的底端A,现用一沿传送带向上的大小为6N的恒定拉力F拉滑块,使其由静止沿传送带向上运动,当速度与传送带速度相等时,滑块的位移.
解:(1)当传送带瞬时针转动时,由牛顿第二定律可知:
mgsinθ﹣μmgcosθ=ma
L=at2
联立解得:μ=0.5
(2)设传送带的速度为v=4m/s,当外力作用后,由牛顿第二定律可得:
F+μmgcosθ﹣mgsinθ=ma1
解得:a1=4m/s2
加速到与传送带速度相等过程:x1===2m
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