高考物理(15-20年)六年试题分类汇编 专题06 牛顿运动定律的综合运用
展开2015—2020年六年高考物理分类解析
专题6、牛顿运动定律的综合运用
一.2020年高考题
1. (2020高考江苏物理)中欧班列在欧亚大陆开辟了“生命之路”,为国际抗疫贡献了中国力量.某运送防疫物资的班列由40节质量相等的车厢组成,在车头牵引下,列车沿平直轨道匀加速行驶时,第2节对第3节车厢的牵引力为F.若每节车厢所受摩擦力、空气阻力均相等,则倒数第3节对倒数第2节车厢的牵引力为( )
A. F B. C. D.
【参考答案】C
【解题思路】设每节车厢质量为m,每节车厢所受阻力(包括摩擦力和空气阻力)为f,列车的加速度为a,隔离第3节车厢及其以后的38节车厢整体作为研究对象,由牛顿第二定律,F-38f=38ma;隔离最后2节车厢,设倒数第3节对倒数第2节车厢的牵引力为F’, 由牛顿第二定律,F’-2f=2ma;联立解得:F’=F/19,选项C正确。
2.(9分)(2020年7月浙江选考)如图1所示,有一质量m=200kg的物件在电机的牵引下从地面竖直向上经加速、匀速、匀减速至指定位置。当加速运动到总位移的时开始计时,测得电机的牵引力随时间变化的图线如图2所示,末速度减为0时恰好到达指定位置。若不计绳索的质量和空气阻力,求物件
(1)做匀减速运动的加速度大小和方向;
(2)匀速运动的速度大小;
(3)总位移的大小。
【名师解析】:(1)牛顿第二定律
得
竖直向下
(2)运动学公式
(3)匀速上升的位移
匀减速上升的位移
总位移
二.2019年高考题
1.(16分)(2019高考江苏卷物理15)如图所示,质量相等的物块A和B叠放在水平地面上,左边缘对齐.A与B、B与地面间的动摩擦因数均为μ。先敲击A,A立即获得水平向右的初速度,在B上滑动距离L后停下。接着敲击B,B立即获得水平向右的初速度,A、B都向右运动,左边缘再次对齐时恰好相对静止,此后两者一起运动至停下.最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g.求:
(1)A被敲击后获得的初速度大小vA;
(2)在左边缘再次对齐的前、后,B运动加速度的大小aB、aB';
(3)B被敲击后获得的初速度大小vB.
【名师解析】.(1)由牛顿运动定律知,A加速度的大小aA=μg
匀变速直线运动 2aAL=vA2
解得
(2)设A、B的质量均为m
对齐前,B所受合外力大小F=3μmg
由牛顿运动定律F=maB,得 aB=3μg
对齐后,A、B所受合外力大小F′=2μmg
由牛顿运动定律F′=2maB′,得aB′=μg
(3)经过时间t,A、B达到共同速度v,位移分别为xA、xB,A加速度的大小等于aA
则v=aAt,v=vB–aBt
且xB–xA=L
解得
三.2018年高考题
1.(2018高考全国理综III)地下矿井中的矿石装在矿车中,用电机通过竖井运送至地面。某竖井中矿车提升的速度大小v随时间t的变化关系如图所示,其中图线①②分别描述两次不同的提升过程,它们变速阶段加速度的大小都相同;两次提升的高度相同,提升的质量相等。不考虑摩擦阻力和空气阻力。对于第①次和第②次提升过程,
A.矿车上升所用的时间之比为4:5
B.电机的最大牵引力之比为2:1
C.电机输出的最大功率之比为2:1
D.电机所做的功之比为4:5
【参考答案】AC
【命题意图】 本题考查速度图像,牛顿运动定律、功和功率及其相关的知识点。
【解题思路】设第次所用时间为t,根据速度图象的面积等于位移(此题中为提升的高度)可知,×2t0×v0=×(t+3t0/2)×v0,解得:t=5t0/2,所以第次和第次提升过程所用时间之比为2t0∶5t0/2=4∶5,选项A正确;由于两次提升变速阶段的加速度大小相同,在匀加速阶段,由牛顿第二定律,F-mg=ma,可得提升的最大牵引力之比为1∶1,选项B错误;由功率公式,P=Fv,电机输出的最大功率之比等于最大速度之比,为2∶1,选项C正确;加速上升过程的加速度a1=,加速上升过程的牵引力F1=ma1+mg=m(+g),减速上升过程的加速度a2=-,减速上升过程的牵引力F2=ma2+mg=m(g -),匀速运动过程的牵引力F3=mg。第次提升过程做功W1=F1××t0×v0+ F2××t0×v0=mg v0t0;第次提升过程做功W2=F1××t0×v0+ F3×v0×3t0/2+ F2××t0×v0 =mg v0t0;两次做功相同,选项D错误。
【易错剖析】解答此题常见错误主要有四方面:一是对速度图像面积表示位移掌握不到位;二是运用牛顿运动定律求解牵引力错误;三是不能找出最大功率;四是不能得出两次提升电机做功。实际上,可以根据两次提升的高度相同,提升的质量相同,利用功能关系得出两次做功相同。
2.(2018全国理综II·24)汽车A在水平冰雪路面上行驶,驾驶员发现其正前方停有汽车B,立即采取制动措施,但仍然撞上了汽车B。两车碰撞时和两车都完全停止后的位置如图所示,碰撞后B车向前滑动了4.5 m,A车向前滑动了2.0 m,已知A和B的质量分别为kg和kg,两车与该冰雪路面间的动摩擦因数均为0.10,两车碰撞时间极短,在碰撞后车轮均没有滚动,重力加速度大小.求
(1)碰撞后的瞬间B车速度的大小;
(2)碰撞前的瞬间A车速度的大小。
【命题意图】本题主要考查机械能、功能原理及其相关的知识点,意在考查考生灵活运用相关知识解决实际问题的的能力。
【解题思路】
(1)设B车质量为mB,碰后加速度大小为aB,根据牛顿第二定律有
①
式中μ是汽车与路面间的动摩擦因数。
设碰撞后瞬间B车速度的大小为,碰撞后滑行的距离为。由运动学公式有
②
联立①②式并利用题给数据得
③
(2)设A车的质量为mA,碰后加速度大小为aA。根据牛顿第二定律有
④
设碰撞后瞬间A车速度的大小为,碰撞后滑行的距离为。由运动学公式有
⑤
设碰撞后瞬间A车速度的大小为,两车在碰撞过程中动量守恒,有
⑥
联立③④⑤⑥式并利用题给数据得
⑦
四.2017年高考题
1.(2017全国III卷·25)如图,两个滑块A和B的质量分别为和,放在静止于水平地面上的木板的两端,两者与木板间的动摩擦因数均为;木板的质量为,与地面间的动摩擦因数为。某时刻A、B两滑块开始相向滑动,初速度大小均为。A、B相遇时,A与木板恰好相对静止。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度大小。求
(1)B与木板相对静止时,木板的速度;
(2)A、B开始运动时,两者之间的距离。
【参考答案】(1)与木板相对静止时,木板的速度为
(2)、开始运动时,两者之间的距离为
【名师解析】
(1)如图所示对、和木板受力分析,其中、分别表示物块、受木板摩擦力的大小,、和分别表示木板受到物块、及地面的摩擦力大小,设运动过程中、及木板的加速度大小分别为,和,根据牛顿运动定律得:
①
②
③
且: ④
⑤
⑥
联立①~⑥解得:,,
故可得向右做匀减速直线运动,向左做匀减速直线运动,木板向右匀加速运动;且,显然经历一段时间之后先与木板达到相对静止状态,且此时、速度大小相等,方向相反。不妨假设此时与木板的速度大小为:
⑦
⑧
解得:,
(2)设在时间内,、的位移大小分别为,,由运动学公式得:
⑨
⑩
此后将与木板一起保持相对静止向前匀减速运动,直到和相遇,这段时间内的加速度大小仍为,设和木板的加速度大小为,则根据牛顿运动定律得:
对木板和: ⑪
假设经过时间后、刚好相遇,且此时速度大小为,为方便计算我们规定水平向右为正向,则在这段时间内速度变化:
对和木板: ⑫
对: ⑬
联立⑪~⑬解得,可以判断此时和木板尚未停下
则时间内物块、的位移大小假设为、,由运动学公式:
⑭
⑮
则和开始相距满足: ⑯
联立解得:
2.(2017海南物理)一轻弹簧的一端固定在倾角为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。质量为的小物块b紧靠a静止在斜面上,此时弹簧的压缩量为x0,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x0。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。
【命题意图】 本题考查牛顿运动定律、胡克定律及其相关的知识点。
【解题思路】(1)由平衡条件,(m+)gsinθ=k x0,
解得弹簧的劲度系数k=;
(2)物块b加速度的大小为a,二者分离前,物块a的加速度也为a。物块a、b分离时,二者之间弹力为零,设此时弹簧的压缩量为x1,对物块a,由牛顿第二定律,
k x1-mgsinθ=ma,
设经过时间t二者分离,则有x0- x1=at2,
x0 =a(2t)2,
联立解得:a=gsinθ;
(3)在物块a、b分离前,物块沿斜面上升x时所受弹簧弹力为k(x0- x),
对物块a、b整体,由牛顿第二定律,
k(x0- x)- (m+)gsinθ+F=(m+)a,
由匀变速直线运动规律x=at2,
联立解得外力大小随时间变化的关系式F= mgsinθ-kx0+kgsinθ·t2。
将k=代入,得:F= mgsinθ+g2sin2θ·t2。
因分离时位移x=,由x=at2,解得t=
故应保证t<,F表达式才能成立.
五.2016年高考题
1.(17分)(2016高考四川理综物理)避险车道是避免恶性交通事故的重要设施,由制动坡床和防撞设施等组成,如图竖直平面内,制动坡床视为与水平面夹角为的斜面。一辆长12 m的载有货物的货车因刹车失灵从干道驶入制动坡床,当车速为23 m/s时,车尾位于制动坡床的低端,货物开始在车厢内向车头滑动,当货物在车厢内滑动了4 m时,车头距制动坡床顶端38 m,再过一段时间,货车停止。已知货车质量是货物质量的4倍,货物与车厢间的动摩擦因数为0.4;货车在制动坡床上运动受到的坡床阻力大小为货车和货物总重的0.44倍。货物与货车分别视为小滑块和平板,取。求:
(1)货物在车厢内滑动时加速度的大小和方向;
(2)制动坡床的长度。
【参考答案】(1)5m/s2,方向沿斜面向下(2)98m
【名师解析】
(1)设货物的质量为m,货物在车厢内滑动过程中,货物与车厢的动摩擦因数μ=0.4,受摩擦力大小为f,加速度大小为a1,则
①
②
联立①②并代入数据得a1=5 m/s ③
a1的方向沿制动坡床向下。
(2)设货车的质量为M,车尾位于制动坡床底端时的车速度为v=23 m/s。货物在车厢内开始向车头滑动,当货物在车厢内滑动了s=4 m时,车头距制动坡床顶端距离s0=38 m。设此过程用时间t,货物相对于制动坡床运动距离为s1,货车相对于制动坡床运动距离为s2。货车长度l0=12m。
货车受到制动坡床的阻力大小为F,F=k(M+m)g=0.44(M+m)g,
制动坡床的长度为l,则l= l0+ s0+ s1,
④
⑤
⑥
⑦
⑧
联立并代入数据得:l=98m。
考点:匀变速直线运动的应用;牛顿第二定律
2. (2016高考海南物理)水平地面上有质量分别为m和4m的物A和B,两者与地面的动摩擦因数均为μ。细绳的一端固定,另一端跨过轻质动滑轮与A相连,动滑轮与B相连,如图所示。初始时,绳出于水平拉直状态。若物块Z在水平向右的恒力F作用下向右移动了距离s,重力加速度大小为g。求
(1)物块B客服摩擦力所做的功;
(2)物块A、B的加速度大小。
【名师解析】
13.(19分)
(1)物块A移动了距离s,则物块B移动的距离为
①
物块B受到的摩擦力大小为
②
物块B克服摩擦力所做的功为
③
(2)设物块A、B的加速度大小分别为aA、aB,绳中的张力为T。有牛顿第二定律得
④
⑤
由A和B的位移关系得
⑥
联立④⑤⑥式得
⑦
⑧
评分参考:第(1)问3分,①②③式各1分;第(2)问6分,④⑤式各1分,⑥式2分,⑦⑧式各1分。
六.2015年高考题
1.(2015·全国理综II) 下暴雨时,有时会发生山体滑坡或泥石流等地质灾害。某地有一倾角为θ=37°(sin37°=)的山坡C,上面有一质量为m的石板B,其上下表面与斜坡平行;B上有一碎石堆A(含有大量泥土),A和B均处于静止状态,如图所示。假设某次暴雨中,A浸透雨水后总质量也为m(可视为质量不变的滑块),在极短时间内,A、B间的动摩擦因数μ1减小为,B、C间的动摩擦因数μ2减小为0.5,A、B开始运动,此时刻为计时起点;在第2s末,B的上表面突然变为光滑,μ2保持不变。已知A开始运动时,A离B下边缘的距离l=27m,C足够长,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。取重力加速度大小g=10m/s2。求:
(1)在0~2s时间内A和B加速度的大小。
(2)A在B上总的运动时间。
【名师解析】分析:分别隔离A、B受力分析,运用牛顿第二定律和相关知识列方程得到在0~2s时间内A和B加速度的大小。分析A在B上受力情况和运动过程可知,A在B上的运动可分为二者均做加速运动,A加速运动B减速运动,B静止不动A继续滑动,分别求出各段时间,然后求出总的运动时间。
(1)在0~2s内。A、B受力如图所示。
由滑动摩擦力公式和力的平衡条件得:
f1=μ1N1,
N1=mgcosθ,
F2=μ2N2,
N2= N1+mgcosθ,
以沿着斜面向下为正方向,设A和B的加速度分别为a1和a2,由牛顿第二定律可得
,
,
联立以上各式可得
a1=3m/s2。
a2=1m/s2。
(2)在t1=2s,设A和B的速度分别为v1和v2,则有:
v1= a1 t1=3×2m/s=6m/s,
v2= a2 t1=1×2m/s=2m/s
t>t1时,设A和B的加速度分别为a’1和a’2,此时A与B之间的摩擦力为零,同理可得
a’1=6m/s2,
a’2=-2m/s2,
即B做减速运动。设经过时间t2,B的速度减为零,则有:
v2+ a’2 t2=0
解得:t2=1s。
在t1+ t2时间内,A相对于B运动的距离为:
s=(+ v1 t2+)- (+ v2 t2+)=12m<27m
此后B静止不动,A继续在B上滑动。设再经过时间t3后A离开B,则有:
l-s=(v1+a1’t2)t3+
解得:t3=1s。(另一解不合题意,舍去)
设A在B上总的运动时间为t总,有:
t总=t1+t2+t3=2s+1s+1s=4s。
注解:碎石堆A和石板的运动可画出下面的速度图象,你知道图像中阴影部分面积的物理意义吗?
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