(物理)物理牛顿运动定律的应用模拟试题及解析

（物理）物理牛顿运动定律的应用模拟试题及解析一、高中物理精讲专题测试牛顿运动定律的应用1．一轻弹簧的一端固定在倾角为θ的固定光滑斜面的底部，另一端和质量为m 的小物块a相连，如图所示．质量为35m 的小物块b 紧靠a 静止在斜面上，此时弹簧的压缩量为x 0，从t=0时开始，对b 施加沿斜面向上的外力，使b 始终做匀加速直线运动．经过一段时间后，物块a 、b 分离；再经过同样长的时间，b 距其出发点的距离恰好也为x 0．弹簧的形变始终在弹性限度内，重力加速度大小为g ．求：(1)弹簧的劲度系数； (2)物块b 加速度的大小；(3)在物块a 、b 分离前，外力大小随时间变化的关系式．【答案】（1）08sin 5mg x θ （2）sin 5g θ（3）22084sin sin 2525mg F mg x θθ=+【解析】 【详解】（1）对整体分析，根据平衡条件可知，沿斜面方向上重力的分力与弹簧弹力平衡，则有：kx 0=（m+35m ）gsinθ 解得：k=8 5mgsin x θ（2）由题意可知，b 经两段相等的时间位移为x 0；由匀变速直线运动相邻相等时间内位移关系的规律可知：1014x x = 说明当形变量为0010344x x x x =-=时二者分离； 对m 分析，因分离时ab 间没有弹力，则根据牛顿第二定律可知：kx 1-mgsinθ=ma 联立解得：a=15gsin θ（3）设时间为t ，则经时间t 时，ab 前进的位移x=12at 2=210gsin t θ则形变量变为：△x=x 0-x对整体分析可知，由牛顿第二定律有：F+k △x-（m+35m ）gsinθ=（m+35m ）a解得：F=825mgsinθ+22425mg sinxθt2因分离时位移x=04x由x=04x=12at2解得：052xtgsinθ=故应保证0≤t＜052xgsinθ，F表达式才能成立．点睛：本题考查牛顿第二定律的基本应用，解题时一定要注意明确整体法与隔离法的正确应用，同时注意分析运动过程，明确运动学公式的选择和应用是解题的关键．2．一长木板置于粗糙水平地面上，木板左端放置一小物块，在木板右方有一墙壁，木板右端与墙壁的距离为4.5m，如图（a）所示．0t=时刻开始，小物块与木板一起以共同速度向右运动，直至1t s=时木板与墙壁碰撞（碰撞时间极短）．碰撞前后木板速度大小不变，方向相反；运动过程中小物块始终未离开木板．已知碰撞后1s时间内小物块的v t-图线如图（b）所示．木板的质量是小物块质量的15倍，重力加速度大小g取10m/s2．求（1）木板与地面间的动摩擦因数1μ及小物块与木板间的动摩擦因数2μ；（2）木板的最小长度；（3）木板右端离墙壁的最终距离．【答案】（1）10.1μ=20.4μ=（2）6m（3）6.5m【解析】（1）根据图像可以判定碰撞前木块与木板共同速度为v4m/s=碰撞后木板速度水平向左，大小也是v4m/s=木块受到滑动摩擦力而向右做匀减速，根据牛顿第二定律有24/0/1m s m sgsμ-=解得20.4μ=木板与墙壁碰撞前，匀减速运动时间1t s=，位移 4.5x m=，末速度v4m/s=其逆运动则为匀加速直线运动可得212x vt at=+带入可得21/a m s=木块和木板整体受力分析，滑动摩擦力提供合外力，即1g aμ=可得10.1μ=（2）碰撞后，木板向左匀减速，依据牛顿第二定律有121()M m g mg Ma μμ++= 可得214/3a m s =对滑块，则有加速度224/a m s =滑块速度先减小到0，此时碰后时间为11t s = 此时，木板向左的位移为2111111023x vt a t m =-=末速度18/3v m s = 滑块向右位移214/022m s x t m +== 此后，木块开始向左加速，加速度仍为224/a m s =木块继续减速，加速度仍为214/3a m s =假设又经历2t 二者速度相等，则有22112a t v a t =- 解得20.5t s =此过程，木板位移2312121726x v t a t m =-=末速度31122/v v a t m s =-= 滑块位移24221122x a t m == 此后木块和木板一起匀减速．二者的相对位移最大为13246x x x x x m ∆=++-= 滑块始终没有离开木板，所以木板最小的长度为6m（3）最后阶段滑块和木板一起匀减速直到停止，整体加速度211/a g m s μ==位移23522v x m a==所以木板右端离墙壁最远的距离为135 6.5x x x m ++= 【考点定位】牛顿运动定律【名师点睛】分阶段分析，环环相扣，前一阶段的末状态即后一阶段的初始状态，认真沉着，不急不躁3．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：222011-22A Bv v v L a a =＋ 又：011-=A Bv 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=1516m B 滑行距离：x B =12a B t 2=716m 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．4．如图所示，质量M=2kg 足够长的木板静止在水平地面上，与地面的动摩擦因数μ1=0．1，另一个质量m=1kg 的小滑块，以6m/s 的初速度滑上木板，滑块与木板之间的动摩擦因数μ2=0．5，g 取l0m/s 2．（1）若木板固定，求小滑块在木板上滑过的距离．（2）若木板不固定，求小滑块自滑上木板开始多长时间相对木板处于静止． （3）若木板不固定，求木板相对地面运动位移的最大值．【答案】（1）203.6m 2v x a==（2）t=1s （3）121x x m +=【解析】 【分析】 【详解】试题分析：（1）225m /s a g μ==20 3.6m 2v x a==（2）对m ：2125/a g m s μ==，对M ：221()Ma mg m M g μμ=-+，221m /s a =012v a t a t -=t=1s（3）木板共速前先做匀加速运动2110.52x at m == 速度121m /s v a t ==以后木板与物块共同加速度a 3匀减速运动231/a g m s μ==，22310.52x vt a t m =+=X=121x x m +=考点：牛顿定律的综合应用5．如图所示，一质量M =40kg 、长L =2.5m 的平板车静止在光滑的水平地面上. 一质量m =10kg 可视为质点的滑块，以v 0=5m/s 的初速度从左端滑上平板车，滑块与平板车间的动摩擦因数μ=0.4，取g =10m/s 2.（1）分别求出滑块在平板车上滑行时，滑块与平板车的加速度大小； （2）计算说明滑块能否从平板车的右端滑出. 【答案】（1） ，（2）恰好不会从平板车的右端滑出．【解析】根据牛顿第二定律得 对滑块，有 ， 解得对平板车，有，解得．设经过t 时间滑块从平板车上滑出滑块的位移为：．平板车的位移为：．而且有 解得：此时，所以，滑块到达小车的右端时与小车速度相等，恰好不会从平板车的右端滑出． 答：滑块与平板车的加速度大小分别为和．滑块到达小车的右端时与小车速度相等，恰好不会从平板车的右端滑出．点睛：对滑块受力分析，由牛顿第二定律可求得滑块的加速度，同理可求得平板车的加速度；由位移关系可得出两物体位移间相差L 时的表达式，则可解出经过的时间，由速度公式可求得两车的速度，则可判断能否滑出．6．如图，一块长度为9L m =、质量为1M kg =的长木板静止放置在粗糙水平地面上．另有质量为1m kg =的小铅块(可看做质点)，以012/v m s =的水平初速度向右冲上木板．已知铅块与木板间的动摩擦因数为10.4μ=，木板与地面间的动摩擦因数为20.1μ=，重力加速度取210/g m s =，求：()1铅块刚冲上木板时，铅块与木板的加速度1a 、2a 的大小； ()2铅块从木板上滑落所需时间；()3为了使铅块不从木板上滑落，在铅块冲上木板的瞬间，对长木板施加一水平向右的恒定拉力F ，求恒力F 的范围．【答案】（1）4m/s 2；2m/s 2（2）1s （3）2N≤F≤10N 【解析】 【分析】（1）对铅块、木板根据牛顿第二定律求解加速度大小；（2）从开始到滑落过程，铅块和木板的位移之差等于L ，求解时间；（3）根据两种临界态：到右端恰好共速以及共速后不能从左侧滑下求解力F 的范围； 【详解】（1）铅块：11mg ma μ= 解得a 1=4m/s 2；对木板：122()mg M m g Ma μμ-+= 解得a 2=2m/s 2（2）从开始到滑落过程：2201112111()22v t a t a t L +-= 解得t 1=1s10118/v v a t m s =-=2212/v a t m s ==（3）到右端恰好共速：2202122211()22v t a t a t L '+-= '01222v a t a t -=解得a ′2=4m/s 2木板：'122()F mg M m g Ma μμ+-+= 解得F ≥2N ；共速后不能从左侧滑下：2-()()F M m g M m a μ+=+共，1a g μ≤共 解得F ≤10N ， 则F 的范围：2N ≤F ≤10N 【点睛】本题主要是考查牛顿第二定律的综合应用，对于牛顿第二定律的综合应用问题，关键是弄清楚物体的运动过程和受力情况，利用牛顿第二定律或运动学的计算公式求解加速度，再根据题目要求进行解答；知道加速度是联系静力学和运动学的桥梁．7．如图所示，五块完全相同的长木板依次紧挨着放在水平地面上，每块木板的长度为0.5m ，质量为0.6kg ．在第一块长木板的最左端放置一质量为0.98kg 的小物块已知小物块与长木板间的动摩擦因数为0.2，长木板与地面间的动摩擦因数为0.1，设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等．一颗质量为0.02kg 的子弹以的150m/s 水平速度击中小物块并立即与小物块一起在长木板表面滑行，重力加速度g 取10m/s 2(结果保留2位有效数字)(1)分析小物块滑至哪块长木板时，长木板才开始在地面上滑动． (2)求整个运动过程中最后一块长木板运动的距离． 【答案】(1) 物块滑上第五块木板(2)0.078m x =板 【解析】 【分析】 【详解】(1)设子弹、小物块、长木板的质量分别为0,,m M m ,子弹的初速度为0v 子弹击中小物块后二者的共同速度为1v 由动量守恒定律()0001m v M m v =+ ①子弹击中小物块后物块的质量为M '，且0M M m '=+.设当物块滑至第n 块木板时，木板才开始运动12((6))M g M n m g μμ''>+- ②其中12,μμ分别表示物块与木板间、木板与地面间的动摩擦因数. 由式解得n 4.3>即物块滑上第五块木板时，木板才开始在地面上滑动. (2) 令物块滑上第五块木板上时，s v 满足:()()()22100114,1/2s s M m g L M m v v v m s μ-+⋅=+-= 之后物块继续减速，第五块木板加速直至共速后一起减速，v t -图象如图:11122231-2s381m/s41s413115m m 0.078m284464t t t v v t g x μ=⇒====⎛⎫∴=+⨯== ⎪⎝⎭共共板8．如图所示，倾角30θ=o 的光滑斜面的下端有一水平传送带，斜面和传送带相接处有一小段光滑圆弧物体经过A 点时，无论是从斜面到传送带还是从传送带到斜面，其速率都不发生变化．传送带以4/v m s =的速度顺时针转动，一个质量为1kg 的物体(可视为质点)从 1.8h m =高处由静止开始沿斜面下滑，物体与传送带间的动摩擦因数04μ=，传送带左右两端A 、B 间的距离7AB L m =，重力加速度210/.g m s =求：()1物体第一次由静止沿斜面下滑到斜面末端速度； ()2物体在传送带上距B 点的最小距离；()3物体第一次从距B 点最近处运动到斜面上最高点所经历的时间.【答案】(1)16m /s v = (2) 2.5m x = (3)3 0.8s t = 【解析】 【分析】(1)先根据牛顿第二定律求加速度，再由速度位移关系求到达斜面末端的速度； (2)先由牛顿第二定律求出物体在传送带上减速的加速度，再根据速度位移关系求出速度减为0时向右运动的位移，即可得出离B 最近的距离；(3)由前的分析可判断出物体先做匀加速运动，再做匀速运动，最后沿斜面向上做匀减速运动，求出加速度与速度，根据速度与时间关系及位移与时间的关系即可求时间. 【详解】（1）物体沿光滑斜面下滑，由牛顿第二定律得：1sin mg ma θ=解得：215/a m s =由几何关系沿光滑斜面下滑位移1cos hs θ=由运动学公式21112v a s =解得物体滑到斜面末端速度16/v m s =（2）物体在传送带上受到向右的滑动摩擦力而做匀减速直线运动，由牛顿第二定律得：2mg ma μ=代入数据解得：224/a m s =当物体速度减为0时物体距B 最近，有运动学公式可得：21222v a S =解得物体距B 点的最小距离：2AB x L S =-2.5x m =（3）物体返回时距A 点 2 4.5S m =，仍受到向右的摩擦力，从速度为0开始做匀加速直线运动，加速度大小为：2324/a a m s ==若物体一直做匀加速运动，有运动对称性可知到A 点时物体速度6/A v m s =大于传送带速度4/v m s =，故物体先做匀加速直线运动，达到速度v 后匀速运动，到达A 点速度4/A v v m s ==物体沿斜面上升过程中，加速度大小仍为1a 物体做匀加速直线运动31v a t = 匀加速直线运动位移233112s a t = 解得11t s = 32s m = 匀速运动 232s s vt -= 解得20.625t s =物体沿斜面匀减速上升13v a t = 解得30.8t s =物体第一次从距B 点最近处运动到斜面上最高点所经历的时间：123 2.425t t t t s =++=9．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 Av 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 Ama k v v ==- kg/s （3）雪撬与斜坡间的动摩擦因数为 sin 370.125cos37m mg kv mg μ︒︒-==10．如图所示，滑块与足够长的木板叠放在光滑水平面上，开始时均处于静止状态．作用于滑块的水平力F 随时间t 变化图象如图所示，t=2.0s 时撤去力F ，最终滑块与木板间无相对运动．已知滑块质量m=2kg ，木板质量M = 1kg ，滑块与木板间的动摩擦因数μ=0.2，取g=10m/s 2．求：（1）t=0.5s 时滑块的速度大小；（2）0～2.0s 内木板的位移大小；（3）整个过程中因摩擦而产生的热量．【答案】（1）1m/s （2）6.25m （3）12J【解析】【分析】先判断出在0-0.5s 内滑块与木板是相对静止的，方法是：设滑块恰好相对于木板要滑动时两者间的静摩擦力达到最大，以M 为研究对象，求出临界加速度，再以整体为研究对象，求出此时的拉力F ，结合图象的信息分析．再由运动学公式求解速度；0.5-2.0s 内滑块相对于木板滑动，分别由牛顿第二定律求出两者的加速度，再由位移公式求出各自的位移，再结合0-0.5s 内的位移，即可得解；求出相对位移，再得到摩擦生热；解：（1）设滑块恰好相对于木板要滑动时两者间的静摩擦力达到最大，以M 为研究对象，根据牛顿第二定律得0mg Ma μ=，得200.22104m/s 1mga M μ⨯⨯===； 对整体，有()0012N F M m a =+=由图知，在00.5s -内，06N F F =<，则滑块与木板相对静止，两者共同的加速度等于22m/s F a M m==+，则0.5s t =时滑块的速度大小111m/s v at == （2）00.5s -内，整体的位移为22111120.50.25m 22x at ==⨯⨯= 在0.5s 2.0s -内，016N F F =>，所以两者相对滑动.根据牛顿第二定律得对m 有：m F mg ma μ-=，得26m/s m a =；对M 有：M mg Ma μ=，得24m/s M a =；0.5~2.0s 内木板的位移大小为2212212M x v t a t =+=211 1.54 1.56m 2⨯+⨯⨯= 故0~2.0s 内木板的位移大小12 6.25m x x x =+=（3）0.5~2.0s 内滑块的位移大小为2312212M x v t a t =+=211 1.56 1.58.25m 2⨯+⨯⨯= 故0.5~2.0s 内滑块与木板的相对位移132 2.25m x x x ∆=-=2.0s t =时，滑块的速度为1216 1.510m/s m m v v a t =+=+⨯=木板的速度为1214 1.57m/s M M v v a t =+=+⨯=撤去F 后，m 的加速度大小为22m/s m mga g m μμ'===；设从2s t =时起经过时间t ，两者速度相等，共同速度为v ，则有 m m M M v v a t v a t '=-=+，计算得出0.5s t =，9m/s v =， 从2s t =到两者相对静止的过程中，滑块的位移为41090.5m 4.75m 22m v v x t ++==⨯= 木板的位移为5790.5m 4m 22M v v x t ++==⨯= 此过程两者的相对位移2450.75m x x x ∆=-=故整个过程中因摩擦而产生的热量为()1212J Q mg x x μ=∆+∆=。