高考物理牛顿运动定律试题经典及解析

高考物理牛顿运动定律试题经典及解析
一、高中物理精讲专题测试牛顿运动定律
1．利用弹簧弹射和传送带可以将工件运送至高处。

如图所示，传送带与水平方向成37度角，顺时针匀速运动的速度v ＝4m/s 。

B 、C 分别是传送带与两轮的切点，相距L ＝6.4m 。

倾角也是37︒的斜面固定于地面且与传送带上的B 点良好对接。

一原长小于斜面长的轻弹簧平行斜面放置，下端固定在斜面底端，上端放一质量m ＝1kg 的工件（可视为质点）。

用力将弹簧压缩至A 点后由静止释放，工件离开斜面顶端滑到B 点时速度v 0＝8m/s ，A 、B 间的距离x ＝1m ，工件与斜面、传送带问的动摩擦因数相同，均为μ＝0.5，工件到达C 点即为运送过程结束。

g 取10m/s 2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，求： （1）弹簧压缩至A 点时的弹性势能；
（2）工件沿传送带由B 点上滑到C 点所用的时间；
（3）工件沿传送带由B 点上滑到C 点的过程中，工件和传送带间由于摩擦而产生的热量。

【答案】(1)42J,(2)2.4s,(3)19.2J 【解析】 【详解】
（1）由能量守恒定律得，弹簧的最大弹性势能为：
2
P 01sin 37cos372
E mgx mgx mv μ︒︒=++
解得：E p ＝42J
（2）工件在减速到与传送带速度相等的过程中，加速度为a 1，由牛顿第二定律得：
1sin 37cos37mg mg ma μ︒︒+=
解得：a 1＝10m/s 2
工件与传送带共速需要时间为：011
v v
t a -= 解得：t 1＝0.4s
工件滑行位移大小为：22
011
2v v x a -=
解得：1 2.4x m L =<
因为tan 37μ︒
<，所以工件将沿传送带继续减速上滑，在继续上滑过程中加速度为a 2，则有：
2sin 37cos37mg mg ma μ︒︒-=
解得：a 2＝2m/s 2
假设工件速度减为0时，工件未从传送带上滑落，则运动时间为：
22
v t
a =
解得：t 2＝2s
工件滑行位移大小为：2
3?
1
n n n n n 解得：x 2＝4m
工件运动到C 点时速度恰好为零，故假设成立。

工作在传送带上上滑的总时间为：t ＝t 1+t 2＝2.4s （3）第一阶段：工件滑行位移为：x 1＝2.4m 。

传送带位移'
11 1.6m x vt ==，相对位移为：10.8m x =V 。

摩擦生热为：11cos37Q mg x V μ︒
=
解得：Q 1＝3.2J
第二阶段：工件滑行位移为：x 2＝4m ，
传送带位移为：'
228m x vt ==
相对位移为：24m x ∆=
摩擦生热为： 22cos37Q mg x μ︒
=∆
解得：Q 2＝16J 总热量为：Q ＝19.2J 。

2．某物理兴趣小组设计了一个货物传送装置模型，如图所示。

水平面左端A 处有一固定挡板，连接一轻弹簧，右端B 处与一倾角37o θ=的传送带平滑衔接。

传送带BC 间距
0.8L m =，以01/v m s =顺时针运转。

两个转动轮O 1、O 2的半径均为0.08r m =，半径
O 1B 、O 2C 均与传送带上表面垂直。

用力将一个质量为1m kg =的小滑块（可视为质点）向左压弹簧至位置K ，撤去外力由静止释放滑块，最终使滑块恰好能从C 点抛出（即滑块在C 点所受弹力恰为零）。

已知传送带与滑块间动摩擦因数0.75μ=，释放滑块时弹簧的弹性势能为1J ，重力加速度g 取210/m s ，cos370.8=o ，sin 370.6=o ，不考虑滑块在水平面和传送带衔接处的能量损失。

求：
（1）滑块到达B 时的速度大小及滑块在传送带上的运动时间 （2）滑块在水平面上克服摩擦所做的功 【答案】（1）1s （2）0.68J 【解析】 【详解】
解：(1)滑块恰能从C 点抛出，在C 点处所受弹力为零，可得：2
v mgcos θm r
=
解得： v 0.8m /s =
对滑块在传送带上的分析可知：mgsin θμmgcos θ=
故滑块在传送带上做匀速直线运动，故滑块到达B 时的速度为：v 0.8m /s = 滑块在传送带上运动时间：L t v
= 解得：t 1s =
(2)滑块从K 至B 的过程，由动能定理可知：2f 1
W W mv 2
-=弹 根据功能关系有： p W E =弹 解得：f W 0.68J =
3．质量为2kg 的物体在水平推力F 的作用下沿水平面做直线运动，一段时间后撤去F ，其运动的
图象如图所示取
m/s 2，求：
（1）物体与水平面间的动摩擦因数； （2）水平推力F 的大小； （3）s 内物体运动位移的大小．
【答案】（1）0.2；（2）5.6N ；（3）56m 。

【解析】 【分析】 【详解】
（1）由题意可知，由v-t 图像可知，物体在4～6s 内加速度：
物体在4～6s 内受力如图所示
根据牛顿第二定律有：
联立解得：μ=0.2
（2）由v-t图像可知：物体在0～4s内加速度：
又由题意可知：物体在0～4s内受力如图所示
根据牛顿第二定律有：
代入数据得：F=5.6N
（3）物体在0～14s内的位移大小在数值上为图像和时间轴包围的面积，则有：
【点睛】
在一个题目之中，可能某个过程是根据受力情况求运动情况，另一个过程是根据运动情况分析受力情况；或者同一个过程运动情况和受力情况同时分析，因此在解题过程中要灵活处理．在这类问题时，加速度是联系运动和力的纽带、桥梁．
4．如图，质量分别为m A=1kg、m B=2kg的A、B两滑块放在水平面上，处于场强大小
E=3×105N/C、方向水平向右的匀强电场中，A不带电，B带正电、电荷量q=2×10－5C．零时刻，A、B用绷直的细绳连接(细绳形变不计)着，从静止同时开始运动，2s末细绳断开．已知A、B与水平面间的动摩擦因数均为μ=0.1，重力加速度大小g=10m/s2．求：
(1)前2s内，A的位移大小；
(2)6s末，电场力的瞬时功率．
【答案】(1) 2m (2) 60W
【解析】
【分析】
【详解】
（1）B所受电场力为F=Eq=6N；绳断之前，对系统由牛顿第二定律：F-
μ(m A+m B)g=(m A+m B)a1
可得系统的加速度a1=1m/s2；
由运动规律：x=
1
2
a 1t 12 解得A 在2s 内的位移为x=2m ；
（2）设绳断瞬间，AB 的速度大小为v 1，t 2=6s 时刻，B 的速度大小为v 2，则v 1=a 1t 1=2m/s ；
绳断后，对B 由牛顿第二定律：F-μm B g=m B a 2 解得a 2=2m/s 2；
由运动规律可知：v 2=v 1+a 2(t 2-t 1) 解得v 2=10m/s
电场力的功率P=Fv ，解得P=60W
5．如图，竖直墙面粗糙，其上有质量分别为m A =1 kg 、m B =0.5 kg 的两个小滑块A 和B ，A 在B 的正上方，A 、B 相距h =2. 25 m ，A 始终受一大小F 1=l0 N 、方向垂直于墙面的水平力作用，B 始终受一方向竖直向上的恒力F 2作用．同时由静止释放A 和B ，经时间t =0.5 s ，A 、B 恰相遇．已知A 、B 与墙面间的动摩擦因数均为μ=0.2，重力加速度大小g =10 m/s 2．求：
(1)滑块A 的加速度大小a A ； (2)相遇前瞬间，恒力F 2的功率P ．
【答案】（1）2
A 8m/s a =；（2）50W P =
【解析】 【详解】
（1）A 、B 受力如图所示：
A 、
B 分别向下、向上做匀加速直线运动，对A ： 水平方向：N 1F F = 竖直方向：A A A m g f m a -= 且：N f F μ=
联立以上各式并代入数据解得：2
A 8m/s a =
（2）对A 由位移公式得：2
12
A A x a t = 对
B 由位移公式得：2
12
B B x a t =
由位移关系得：B A x h x =- 由速度公式得B 的速度：B B v a t = 对B 由牛顿第二定律得：2B B B F m g m a -= 恒力F 2的功率：2B P F v = 联立解得：P ＝50W
6．某种弹射装置的示意图如图所示，光滑的水平导轨MN 右端N 处于倾斜传送带理想连接，传送带长度L=15.0m ，皮带以恒定速率v=5m/s 顺时针转动，三个质量均为m=1.0kg 的滑块A 、B 、C 置于水平导轨上，B 、C 之间有一段轻弹簧刚好处于原长，滑块B 与轻弹簧连接，C 未连接弹簧，B 、C 处于静止状态且离N 点足够远，现让滑块A 以初速度v 0=6m/s 沿B 、C 连线方向向B 运动，A 与B 碰撞后粘合在一起．碰撞时间极短，滑块C 脱离弹簧后滑上倾角θ=37°的传送带，并从顶端沿传送带方向滑出斜抛落至地面上，已知滑块C 与传送带之间的动摩擦因数μ=0.8，重力加速度g=10m/s 2，sin37°=0.6，cos37°=0.8．
（1）滑块A 、B 碰撞时损失的机械能； （2）滑块C 在传送带上因摩擦产生的热量Q ；
（3）若每次实验开始时滑块A 的初速度v 0大小不相同，要使滑块C 滑离传送带后总能落至地面上的同一位置，则v 0的取值范围是什么？（结果可用根号表示） 【答案】(1)9J E ∆= (2)8J Q =03313m/s 397m/s 22
v ≤≤ 【解析】
试题分析：（1）A 、B 碰撞过程水平方向的动量守恒，由此求出二者的共同速度；由功能关系即可求出损失的机械能；（2）A 、B 碰撞后与C 作用的过程中ABC 组成的系统动量守恒，应用动量守恒定律与能量守恒定律可以求出C 与AB 分开后的速度，C 在传送带上做匀加速直线运动，由牛顿第二定律求出加速度，然后应用匀变速直线运动规律求出C 相对于传送带运动时的相对位移，由功能关系即可求出摩擦产生的热量．（3）应用动量守恒定律、能量守恒定律与运动学公式可以求出滑块A 的最大速度和最小速度．
（1）A 与B 位于光滑的水平面上，系统在水平方向的动量守恒，设A 与B 碰撞后共同速度为1v ，选取向右为正方向，对A 、B 有：012mv mv = 碰撞时损失机械能()220111
222
E mv m v ∆=- 解得：9E J ∆=
（2）设A 、B 碰撞后，弹簧第一次恢复原长时AB 的速度为B v ，C 的速度为C v 由动量守恒得：122B C mv mv mv =+
由机械能守恒得：(
)()222111122222
B C m v m v mv =+ 解得：4/c v m s =
C 以c v 滑上传送带，假设匀加速的直线运动位移为x 时与传送带共速
由牛顿第二定律得：2
10.4/a gcos gsin m s μθθ=-= 由速度位移公式得：2
212C v v a x -=
联立解得：x=11.25m ＜L 加速运动的时间为t ，有：1
2.5C
v v t s a -== 所以相对位移x vt x ∆=- 代入数据得： 1.25x m ∆=
摩擦生热·
8Q mgcos x J μθ=∆= （3）设A 的最大速度为max v ，滑块C 与弹簧分离时C 的速度为1c v ，AB 的速度为1B v ，则C 在传送带上一直做加速度为2a 的匀减速直线运动直到P 点与传送带共速
则有：22
212c v v a L -=
根据牛顿第二定律得：2
212.4/a gsin gcos m s θμθ=--=-
联立解得：1397/c v m s =
设A 的最小速度为min v ，滑块C 与弹簧分离时C 的速度为2C v ，AB 的速度为1B v ，则C 在传送带上一直做加速度为1a 的匀加速直线运动直到P 点与传送带共速
则有：22
112c v v a L -=
解得：213/c v m s =
对A 、B 、C 和弹簧组成的系统从AB 碰撞后到弹簧第一次恢复原长的过程中 系统动量守恒，则有：112max B C mv mv mc =+ 由机械能守恒得：()()22
211
111122222
B C m v m v mv =+ 解得：133397/22max c v v m s =
= 同理得：3
13/2
min v m s = 所以
03313/397/22
m s v m s ≤≤
7．如图甲所示，光滑水平面上有一质量为M = 1kg 的足够长木板。

板左端有一质量为m= 0.5kg 的物块（视为质点），物块与木板间的动摩擦因数为μ=0.2。

初始时物块与木板均处于静止状态，已知g = 10m/s 2,物块与木板间的最大静摩擦力与滑动摩擦力相等。

(1)若仅给木板一水平向左的初速度03/m s υ=,求物块相对木板滑动的距离；
(2)若仅给物块施加一水平向右的力F ，F 随时间t 变化的图像如图乙所示，求物块与木板最终的速度；
(3)若按（1)问中给板初速度03/m s υ=的同时，给木板施加一水平向右的恒力F = 6N ，求经多长时间物块会从木板上滑落。

【答案】（1）1.5m ；（2）物块和木板最终以0.6m/s 的速度匀速运动.（3）0.91s
【解析】 【详解】
（1）设物块与板最终达到相同的速度v ，物块在板上滑行的位移为L ，由动量守恒：
()0Mv M m v =+
由能量关系：()2201122
mgL Mv M m v μ=-+ 解得L=1.5m
（2）由题意可知，若物块和木板一起向右加速，则拉力F≤1.5N ，故在如图所示的拉力F 的作用下物块和板无法一起加速，经t 1=0.5s 时，物块的速度v 1，板的速度v 2 对物块：111Ft mgt mv μ-= 对木板：12mgt Mv μ= 解得v 1=0.8m/s ，v 2=0.5m/s ；
8．如图，光滑固定斜面上有一楔形物体A 。

A 的上表面水平，A 上放置一物块B 。

已知斜面足够长、倾角为θ，A 的质量为M ，B 的质量为m ，A 、B 间动摩擦因数为μ(μ＜)，
最大静擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g 。

现对A 施加一水平推力。

求：
（1）物体A 、B 保持静止时，水平推力的大小F 1；
（2）水平推力大小为F 2时，物体A 、B 一起沿斜面向上运动，运动距离x 后撒去推力，A 、B 一起沿斜面上滑，整个过程中物体上滑的最大距离L ；
（3）为使A 、B 在推力作用下能一起沿斜面上滑，推力F 应满足的条件。

【答案】（1）
（2）
（3）
【解析】 【分析】
先以AB 组成的整体为研究的对象，得出共同的加速度，然后以B 为研究的对象，结合牛顿第二定律和运动学公式联合求解，知道加速度是联系力学和运动学的桥梁。

【详解】
(1) A 和B 整体处于平衡状态，则
解得：
； (2) A 和B 整体上滑过程由动能定理有
解得：；
(3) A 和B 间恰好不滑动时，设推力为F 0，上滑的加速度为a ，A 对B 的弹力为N 对A 和B 整体有
对B 有：
解得：
则为使A 、B 在推力作用下能一起沿斜面上滑，推力应满足的条件
9．在水平力F 作用下，质量为0.4kg 的小物块从静止开始沿水平地面做匀加速直线运动，经2s 运动的距离为6m ，随即撤掉F ，小物块运动一段距离后停止．已知物块与地面之间的动摩擦因数μ=0.5，g=10m/s 2．求： （1）物块运动的最大速度； （2）F 的大小；
（3）撤去F 后，物块克服摩擦力做的功 【答案】（1）6m/s （2）3.2N （3）7.2J 【解析】 【分析】
（1）物块做匀加速直线运动，运动2s 时速度最大．已知时间、位移和初速度，根据位移等于平均速度乘以时间，求物块的最大速度．
（2）由公式v=at 求出物块匀加速直线运动的加速度，由牛顿第二定律求F 的大小． （3）撤去F 后，根据动能定理求物块克服摩擦力做的功． 【详解】
（1）物块运动2s 时速度最大．由运动学公式有：x= 2
v t 可得物块运动的最大速度为：2266/2
x v m s t ⨯=
== （2）物块匀加速直线运动的加速度为：a=6
2
v
t
=
=3m/s 2． 设物块所受的支持力为N ，摩擦力为f ，根据牛顿第二定律得：F-f=ma N-mg=0，又 f=μN 联立解得：F=3.2N
（3）撤去F 后，根据动能定理得：-W f =0-12
mv 2 可得物块克服摩擦力做的功为：W f =7.2J 【点睛】
本题考查了牛顿第二定律和运动学公式的综合运用，知道加速度是联系力学和运动学的桥梁，要注意撤去F 前后摩擦力的大小是变化的，但动摩擦因数不变．
10．如图甲所示，一质量为m 的带电小球，用绝缘细线悬挂在水平向右的匀强电场中，静止时悬线与竖直方向成θ角．小球位于A 点，某时刻突然将细线剪断，经过时间t 小球运动到B 点（图中未画出）已知电场强度大小为E ，重力加速度为g ，求：
（1）小球所带的电荷量q ；
（2）A 、B 两点间的电势差U ．
【答案】（1）tan mg E θ；（2）12
Egt 2tanθ． 【解析】试题分析：（1）小球处于静止状态，分析受力，作出受力图，根据平衡条件和电场力公式求解电荷量q ；（2）将细线突然剪断小球将沿细线方向做匀加速直线运动，根据牛顿第二定律求解加速度a ，再根据匀变速直线运动求解位移，再计算A 、B 两点间的电势差U ．
①静止时有tan qE mg θ=，解得 tan mg q E
θ=
②将细线剪断后，根据牛顿第二定律可得cos mg F ma θ=
=合，解得 故221tan sin 2cos 2
AB g Egt U E t θθθ=-⋅=-。