高考物理牛顿运动定律的应用试题(有答案和解析)及解析

高考物理牛顿运动定律的应用试题(有答案和解析)及解析
一、高中物理精讲专题测试牛顿运动定律的应用
1．如图所示，钉子A 、B 相距5l ，处于同一高度．细线的一端系有质量为M 的小物块，另一端绕过A 固定于B ．质量为m 的小球固定在细线上C 点，B 、C 间的线长为3l ．用手竖直向下拉住小球，使小球和物块都静止，此时BC 与水平方向的夹角为53°．松手后，小球运动到与A 、B 相同高度时的速度恰好为零，然后向下运动．忽略一切摩擦，重力加速度为g ，取sin53°=0.8，cos53°=0.6．求：
（1）小球受到手的拉力大小F ； （2）物块和小球的质量之比M :m ；
（3）小球向下运动到最低点时，物块M 所受的拉力大小T
【答案】（1）53F Mg mg =- （2）
65M m = （3）()85mMg T m M =+（4855
T mg =或8
11T Mg =
） 【解析】 【分析】 【详解】 （1）设小球受AC 、BC 的拉力分别为F 1、F 2 F 1sin53°=F 2cos53° F +mg =F 1cos53°+ F 2sin53°且F 1=Mg 解得5
3
F Mg mg =
- （2）小球运动到与A 、B 相同高度过程中 小球上升高度h 1=3l sin53°，物块下降高度h 2=2l 机械能守恒定律mgh 1=Mgh 2 解得
65
M m = （3）根据机械能守恒定律，小球回到起始点．设此时AC 方向的加速度大小为a ，重物受到的拉力为T
牛顿运动定律Mg –T =Ma 小球受AC 的拉力T ′=T 牛顿运动定律T ′–mg cos53°=ma
解得85mMg T m M =
+（）（488
5511
T mg T Mg =
=或） 【点睛】
本题考查力的平衡、机械能守恒定律和牛顿第二定律．解答第（1）时，要先受力分析，建立竖直方向和水平方向的直角坐标系，再根据力的平衡条件列式求解；解答第（2）时，根据初、末状态的特点和运动过程，应用机械能守恒定律求解，要注意利用几何关系求出小球上升的高度与物块下降的高度；解答第（3）时，要注意运动过程分析，弄清小球加速度和物块加速度之间的关系，因小球下落过程做的是圆周运动，当小球运动到最低点时速度刚好为零，所以小球沿AC 方向的加速度（切向加速度）与物块竖直向下加速度大小相等．
2．质量为m =0.5 kg 、长L =1 m 的平板车B 静止在光滑水平面上，某时刻质量M =l kg 的物体A （视为质点）以v 0=4 m/s 向右的初速度滑上平板车B 的上表面，在A 滑上B 的同时，给B 施加一个水平向右的拉力．已知A 与B 之间的动摩擦因数μ=0.2，重力加速度g 取10 m/s 2．试求：
（1）如果要使A 不至于从B 上滑落，拉力F 大小应满足的条件； （2）若F =5 N ，物体A 在平板车上运动时相对平板车滑行的最大距离． 【答案】(1)1N 3N F ≤≤ (2)0.5m x ∆= 【解析】 【分析】
物体A 不滑落的临界条件是A 到达B 的右端时，A 、B 具有共同的速度，结合牛顿第二定律和运动学公式求出拉力的最小值．另一种临界情况是A 、B 速度相同后，一起做匀加速直线运动，根据牛顿第二定律求出拉力的最大值，从而得出拉力F 的大小范围． 【详解】
(1)物体A 不滑落的临界条件是A 到达B 的右端时，A 、B 具有共同的速度v 1，则：
222
011-22A B
v v v L a a =＋ 又：
011
-=A B
v v v a a 解得：a B =6m/s 2
再代入F ＋μMg =ma B 得：F =1N
若F <1N ，则A 滑到B 的右端时，速度仍大于B 的速度，于是将从B 上滑落，所以F 必须大于等于1N
当F 较大时，在A 到达B 的右端之前，就与B 具有相同的速度，之后，A 必须相对B 静止，才不会从B 的左端滑落，则由牛顿第二定律得： 对整体：F =(m ＋M )a 对物体A ：μMg =Ma 解得：F =3N
若F 大于3N ，A 就会相对B 向左滑下
综上所述，力F 应满足的条件是1N≤F ≤3N
(2)物体A 滑上平板车B 以后，做匀减速运动，由牛顿第二定律得：μMg =Ma A 解得：a A =μg =2m/s 2
平板车B 做匀加速直线运动，由牛顿第二定律得：F ＋μMg =ma B 解得：a B =14m/s 2
两者速度相同时物体相对小车滑行最远，有：v 0－a A t =a B t 解得：t =0.25s A 滑行距离 x A =v 0t －12a A t 2=1516
m B 滑行距离：x B =
12a B t 2=716
m 最大距离：Δx =x A －x B =0.5m 【点睛】
解决本题的关键理清物块在小车上的运动情况，抓住临界状态，结合牛顿第二定律和运动学公式进行求解．
3．如图甲所示，长为L =4.5 m 的木板M 放在水平地而上，质量为m =l kg 的小物块（可视为质点）放在木板的左端，开始时两者静止．现用一水平向左的力F 作用在木板M 上，通过传感器测m 、M 两物体的加速度与外力F 的变化关系如图乙所示．已知两物体与地面之间的动摩擦因数相同，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g = 10m ／s 2．求：
（1）m 、M 之间的动摩擦因数；
（2）M 的质量及它与水平地面之间的动摩擦因数；
（3）若开始时对M 施加水平向左的恒力F =29 N ，且给m 一水平向右的初速度v o =4 m ／s ，求t =2 s 时m 到M 右端的距离． 【答案】（1）0.4（2）4kg ，0.1（3）8.125m 【解析】 【分析】 【详解】
（1）由乙图知，m 、M 一起运动的最大外力F m =25N ， 当F >25N 时，m 与M 相对滑动，对m 由牛顿第二定律有：
11mg ma μ=
由乙图知
214m /s a =
解得
10.4μ=
（2）对M 由牛顿第二定律有
122()F mg M m g Ma μμ--+=
即
12122()()F mg M m g mg M m g F
a M M M
μμμμ--+--+=
=+
乙图知
11
4
M = 12()9
4
mg M m g M μμ--+=-
解得
M = 4 kg μ2=0. 1
（3）给m 一水平向右的初速度04m /s v =时，m 运动的加速度大小为a 1 = 4 m/s 2,方向水平向左，
设m 运动t 1时间速度减为零，则
11
1s v t a =
= 位移
2101111
2m 2
x v t a t =-=
M 的加速度大小
2122()5m /s F mg M m g
a M
μμ--+=
=
方向向左， M 的位移大小
2
2211 2.5m 2
x a t =
= 此时M 的速度
2215m /s v a t ==
由于12x x L +=，即此时m 运动到M 的右端，当M 继续运动时，m 从M 的右端竖直掉落，
设m 从M 上掉下来后M 的加速度天小为3a ，对M 由生顿第二定律
23F Mg Ma μ-=
可得
2325
m /s 4
a =
在t =2s 时m 与M 右端的距离
232131
1
()()8.125m 2
x v
t t a t t =-+-=．
4．如图所示，质量m 1＝0.3 kg 的小车静止在光滑的水平面上，车长L ＝1.5 m ，现有质量m 2＝0.2 kg 可视为质点的物块，以水平向右的速度v 0＝2 m/s 从左端滑上小车，最后在车面上某处与小车保持相对静止．物块与车面间的动摩擦因数μ＝0.5，取g ＝10 m/s 2，求：
(1)物块与小车共同速度； (2)物块在车面上滑行的时间t ； (3)小车运动的位移x ；
(4)要使物块不从小车右端滑出，物块滑上小车左端的速度v ′0不超过多少？ 【答案】(1)0.8 m/s (2)0.24 s (3)0.096 m (4)5 m/s 【解析】 【详解】
（1、2）根据牛顿第二定律得，物块的加速度大小为：a 2＝μg ＝0.5×10m/s 2＝5m/s 2， 小车的加速度大小为：22211
0.5210
m/s m/s 0.33
m g
a m μ⨯＝＝
＝ 根据v =v 0-a 2t =a 1t
得则速度相等需经历的时间为：0
12
0.24v t s a a =+＝； v =0.8m/s （3）小车运动的位移2211110
0.24m 0.096m 223
x a t =
=⨯⨯= （4）物块不从小车右端滑出的临界条件为物块滑到小车右端时恰好两者达到共同速度，设此速度为v ，由水平方向动量守恒得：m 2 v 0′=（m 1+m 2）v
根据能量守恒得：μm 2gL ＝
12m 2v 0′2−1
2
(m 1+m 2)v 2 代入数据，联立解得v 0′=5m/s 。

5．质量M ＝0.6kg 的平板小车静止在光滑水面上，如图所示，当t ＝0时，两个质量都为m ＝0.2kg 的小物体A 和B ，分别从小车的左端和右端以水平速度1 5.0v =m/s 和2 2.0v =m/s 同时冲上小车，当它们相对于小车停止滑动时，恰好没有相碰。

已知A 、B 两物体与车面的动摩擦因数都是0.20，取g =10m/s 2，求：
（1）A 、B 两物体在车上都停止滑动时车的速度； （2）车的长度是多少？
（3）从A 、B 开始运动计时，经8s 小车离原位置的距离. 【答案】（1）0.6m/s （2）6.8m （3）3.84m 【解析】 【详解】
解：（1）设物体A 、B 相对于车停止滑动时，车速为v ，根据动量守恒定律有：
()()122m v v M m v -=+
代入数据解得：v =0.6m/s ，方向向右．
（2）设物体A 、B 在车上相对于车滑动的距离分别为L 1、L 2，车长为L ，由功能关系有:
()()22
212121
11
2222
mg L L mv mv M m v μ+=+-
+ 又L ≥L 1+L 2
代入数据解得L ≥6.8m ，即L 至少为6.8m
（3）当B 向左减速到零时，A 向右减速，且两者加速度大小都为12a g μ==m/s 2 对小车受力分析可知，小车受到两个大小相等、方向相反的滑动摩擦力作用，故小车没有动
则B 向左减速到零的时间为2
11
1v t a =
=s 此时A 的速度为1113A v v a t =-=m/s
当B 减速到零时与小车相对静止，此时A 继续向右减速，则B 与小车向右加速，设经过t s 达到共同速度v
对B 和小车，由牛顿第二定律有：()2mg m M a μ=+，解得：20.5a =m/s 2 则有：12A v v a t a t =-=，代入数据解得：t =1.2s 此时小车的速度为20.6v a t ==m/s ，位移为2
1210.362
x a t =
=m 当三个物体都达到共同速度后，一起向右做匀速直线运动，则剩下的时间发生的位移为
()28 3.48x v t =-=m
则小车在8s 内走过的总位移为12 3.84x x x =+=m
6．一个弹簧测力计放在水平地面上，Q 为与轻弹簧上端连在一起的秤盘，P 为一重物，已知P 的质量M 10.5kg =，Q 的质量m 1.5kg =，弹簧的质量不计，劲度系数
k 800/N m =，系统处于静止.如图所示，现给P 施加一个方向竖直向上的力F ，使它从静止开始向上做匀加速运动，已知在前0.2s 内，F 为变力，0.2s 以后，F 为恒力.求力F 的最大值与最小值.(取g 2
10/)m s =
【答案】max 168N F =min 72N F = 【解析】
试题分析：由于重物向上做匀加速直线运动，故合外力不变，弹力减小，拉力增大，所以一开始有最小拉力，最后物体离开秤盘时有最大拉力 静止时由()M m g kX += 物体离开秤盘时212
x at =
()k X x mg ma --= max F Mg Ma -=
以上各式代如数据联立解得
max 168N F =
该开始向上拉时有最小拉力则
min ()()F kX M m g M m a +-+=+
解得
min 72N F =
考点：牛顿第二定律的应用
点评：难题．本题难点在于确定最大拉力和最小拉力的位置以及在最大拉力位置时如何列出牛顿第二定律的方程，此时的弹簧的压缩量也是一个难点．
7．如图所示，在水平桌面上离桌面右边缘3.2m 处放着一质量为0.1kg 的小铁球（可看作质点），铁球与水平桌面间的动摩擦因数μ=0.2．现用水平向右推力F =1.0N 作用于铁球，作用一段时间后撤去。

铁球继续运动，到达水平桌面边缘A 点飞出，恰好落到竖直圆弧轨道BCD 的B 端沿切线进入圆弧轨道，碰撞过程速度不变，且铁球恰好能通过圆弧轨道的最高点D ．已知∠BOC =37°，A 、B 、C 、D 四点在同一竖直平面内，水平桌面离B 端的竖直高度H =0.45m ，圆弧轨道半径R =0.5m ，C 点为圆弧轨道的最低点，求：（取sin37°=0.6，cos37°=0.8）
(1)铁球运动到圆弧轨道最高点D 点时的速度大小v D ；
(2)若铁球以v C =5.15m/s 的速度经过圆弧轨道最低点C ，求此时铁球对圆弧轨道的压力大小F C ；（计算结果保留两位有效数字） (3)铁球运动到B 点时的速度大小v B ； (4)水平推力F 作用的时间t 。

【答案】(1)铁球运动到圆弧轨道最高点D 点时的速度大小为5m/s ；
(2)若铁球以v C =5.15m/s 的速度经过圆弧轨道最低点C ，求此时铁球对圆弧轨道的压力大小为6.3N ；
(3)铁球运动到B 点时的速度大小是5m/s ； (4)水平推力F 作用的时间是0.6s 。

【解析】 【详解】
(1)小球恰好通过D 点时，重力提供向心力，由牛顿第二定律可得：2D
mv mg R
=
可得：D 5m /s v =
(2)小球在C 点受到的支持力与重力的合力提供向心力，则：2C
mv F mg R
-=
代入数据可得：F =6.3N
由牛顿第三定律可知，小球对轨道的压力：F C =F =6.3N
(3)小球从A 点到B 点的过程中做平抛运动，根据平抛运动规律有：2
y 2gh v = 得：v y =3m/s
小球沿切线进入圆弧轨道，则：3
5m/s 370.6
y B v v sin =
=
=︒
(4)小球从A 点到B 点的过程中做平抛运动，水平方向的分速度不变，可得：
3750.84/A B v v cos m s =︒=⨯=
小球在水平面上做加速运动时：1F mg ma μ-=
可得：2
18/a m s =
小球做减速运动时：2mg ma μ=
可得：2
22/a m s =-
由运动学的公式可知最大速度：1m v a t =；22A m v v a t -= 又：222
m m A v v v
x t t +=
⋅+⋅ 联立可得：0.6t s =
8．如图所示，绷紧的传送带始终保持着大小为v=4m/s 的速度水平匀速运动一质量m=1kg 的小物块无初速地放到皮带A 处，物块与皮带间的滑动动摩擦因数μ=0.2，A 、B 之间距离s=6m ，求物块
（1）从A运动到B的过程中摩擦力对物块做多少功？（g=10m/s2）
（2）A到B的过程中摩擦力的功率是多少？
【答案】（1）8J；（2）3.2W；
【解析】
（1）小物块开始做匀加速直线运动过程：加速度为：．
物块速度达到与传送带相同时，通过的位移为：，
说明此时物块还没有到达B点，此后物块做匀速直线运动，不受摩擦力．
由动能定理得，摩擦力对物块所做的功为：
（2）匀加速运动的时间，
匀速运动的时间，
摩擦力的功率
9．如图所示，在倾角为的光滑物块P斜面上有两个用轻质弹簧相连的物块A、B；C为一垂直固定在斜面上的挡板、C总质量为M，A、B质量均为m，弹簧的劲度系数为k，系统静止于光滑水平面现开始用一水平力F从零开始增大作用于P．
物块B刚要离开C时力F．
从开始到此时物块A相对于斜面的位移物块A一直没离开斜面，重力加速度为
【答案】（1）（2）
【解析】
【分析】
先对斜面体和整体受力分析，根据牛顿第二定律求解出加速度，再分别多次对物体A、B 或AB整体受力分析，然后根据牛顿第二定律，运用合成法列式分析求解。

【详解】
整体做为研究对象，刚要离开C 瞬间与C 的作用力为0，受力情况如图：
根据力的平衡知识有：，
对P 、A 、B 整体分析受力有：
联立解得：
开始时弹簧压缩，有：
由
分析可知加速度为
对B 分析可知要离开时弹簧处于原长，弹力为0 ；所以物块A 的位移：
【点睛】
解决本题的关键能够正确地进行受力分析，运用牛顿第二定律进行求解，注意整体法和隔离法的运用。

10．总质量为60kg 的人和滑雪板沿着倾角为037θ=的斜坡向下滑动,如图甲所示，所受的空气阻力与速度成正比．今测得滑雪板运动的v t -图象如图乙所示，图中AC 是曲线中
A 点的切线，C 点坐标为()4,15，BD 是曲线的渐近线．（0sin 370.6=
0cos370.8=，g 取210/m s ）根据以上信息，计算下列物理量：
（1）滑雪板沿斜波下滑的最大速度m v ； （2）空气的阻力系数k ；
（3）滑雪板与斜坡间的动摩擦因数μ． 【答案】（1）10m/s m v =
（2）/s 30kg k =
（3）0.125μ=
【解析】
【分析】
【详解】
（1）由v-t 图象得，雪撬在斜面上下滑的最大速度为：10m/s m v = （2）由v-t 图象得： A 点v A =5m/s ， C 点：15m/s c v = 则A 点的瞬时加速度为：22.5m/s A A A
v a t ∆=
=∆ 下滑过程中，在A 点： sin cos A A mg mg kv ma θμθ--=
当速度最大时，0a =，有：
sin cos 0m mg mg kv θμθ--=
代入数据解得：
空气的阻力系数 30A m A
ma k v v ==- kg/s （3）雪撬与斜坡间的动摩擦因数为 sin 370.125cos37
m mg kv mg μ︒︒-==。