
Fvcsα,其中α為力的方向與速度方向的夾角.有兩種計(jì)算方式:
(1)P=FvF,其中vF為物體的速度v在力F方向上的分速度.
(2)P=Fvv,其中Fv為物體受到的外力F在速度v方向上的分力.
2.分析機(jī)車啟動(dòng)問題時(shí),抓住兩個(gè)關(guān)鍵:一是汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即根據(jù)牛頓第二定律找出牽引力與加速度的關(guān)系;二是抓住功率的定義式,即牽引力與速度的關(guān)系.
3.四個(gè)常用規(guī)律
(1)P=Fv (2)F-f=ma (3)v=at(a恒定) (4)Pt-fx=ΔEk(P恒定).
1.(2023·河南名校聯(lián)盟高三下學(xué)期2月聯(lián)考)如圖1所示,ad、bd、cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿,a、b、c、d位于同一圓周上,a點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn),d點(diǎn)為最低點(diǎn).每根桿上都套著一個(gè)質(zhì)量相等的小滑環(huán)(圖中未畫出),三個(gè)滑環(huán)分別從a、b、c處由靜止釋放,用P1、P2、P3表示各滑環(huán)從靜止滑到d過程中重力的平均功率,則( )
圖1
A.P1P3
C.P3>P1>P2D.P1=P2=P3
2.(2023·安徽A10聯(lián)盟開年考)從斜面上A點(diǎn)分別以v0、2v0的初速度先后水平拋出兩個(gè)相同的小球,結(jié)果小球分別落在了斜面上的B點(diǎn)和C點(diǎn),A、B間的距離為s1,B、C間的距離為s2,小球剛要落到B點(diǎn)時(shí)重力的瞬時(shí)功率為P1,剛要落到C點(diǎn)時(shí)重力的瞬時(shí)功率為P2,不計(jì)空氣阻力,則下列關(guān)系正確的是( )
A.s1∶s2=1∶2B.s1∶s2=1∶4
C.P1∶P2=1∶2D.P1∶P2=1∶4
3.(多選)(2023·江西贛州市期中)放在粗糙水平地面上的物體受到水平拉力的作用,在0~6s內(nèi)其速度與時(shí)間圖像和該拉力的功率與時(shí)間的圖像如圖2所示.下列說法正確的是( )
圖2
A.0~6s內(nèi)物體的位移大小為12m
B.0~6s內(nèi)拉力做功為70J
C.物體的質(zhì)量為10kg
D.滑動(dòng)摩擦力的大小為5N
4.(2023·廣東清遠(yuǎn)市期末質(zhì)量檢測(cè))如圖3所示,中間有孔的物塊A套在光滑的豎直桿上,通過光滑滑輪用不可伸長(zhǎng)的輕繩將物體拉著向上運(yùn)動(dòng),在A勻速上升的過程中,下列判斷正確的是( )
圖3
A.拉力F變小
B.桿對(duì)A的彈力N不變
C.繩子自由端(右端)的速率v增大
D.拉力F的功率P不變
5.(2023·吉林“五地六校”合作體聯(lián)考)一輛小汽車在水平路面上由靜止啟動(dòng),在前5s內(nèi)做勻加速直線運(yùn)動(dòng),5s末達(dá)到額定功率,之后保持以額定功率運(yùn)動(dòng).其v-t圖像如圖4所示.已知汽車的質(zhì)量為m=1×103kg,汽車受到地面的阻力為車重的0.1倍,重力加速度g取10m/s2,則以下說法正確的是( )
圖4
A.汽車在前5s內(nèi)的牽引力為5×102N
B.汽車速度為25m/s時(shí)的加速度為5m/s2
C.汽車的額定功率為100kW
D.汽車的最大速度為80m/s
6.用一根繩子豎直向上拉一個(gè)物塊,物塊從靜止開始運(yùn)動(dòng),繩子拉力的功率按如圖5所示規(guī)律變化,已知物塊的質(zhì)量為m,重力加速度為g,0~t0時(shí)間內(nèi)物塊做勻加速直線運(yùn)動(dòng),t0時(shí)刻后功率保持不變,t1時(shí)刻物塊達(dá)到最大速度,則下列說法正確的是( )
圖5
A.物塊始終做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
B.0~t0時(shí)間內(nèi)物塊的加速度大小為eq \f(P0,mt0)
C.t0時(shí)刻物塊的速度大小為eq \f(P0,mg)
D.0~t1時(shí)間內(nèi)物塊上升的高度為eq \f(P0,mg)(t1-eq \f(t0,2))-eq \f(P02,2m2g3)
7.(2023·山東煙臺(tái)市模擬)某段高速路對(duì)載重貨車設(shè)定的允許速度范圍為50~80km/h,而上坡時(shí)若貨車達(dá)不到最小允許速度50km/h,則必須走“爬坡車道”來避免危險(xiǎn),如圖6所示,某質(zhì)量為4.0×104kg的載重貨車,保持額定功率200kW在“爬坡車道”上行駛,每前進(jìn)
1km,上升0.04km,汽車所受的阻力(摩擦阻力與空氣阻力)為車重的0.01倍,g取10m/s2,爬坡車道足夠長(zhǎng),則貨車勻速上坡的過程中( )
圖6
A.牽引力等于2×104N
B.速度可能大于36km/h
C.上坡過程增加的重力勢(shì)能等于汽車牽引力所做的功
D.上坡過程增加的機(jī)械能等于汽車克服阻力所做的功
8.(2023·安徽黃山市一模檢測(cè))一輛F1賽車含運(yùn)動(dòng)員的總質(zhì)量約為600kg,在一次F1比賽中賽車在平直賽道上以恒定功率加速,受到的阻力不變,其加速度a和速度的倒數(shù)eq \f(1,v)的關(guān)系如圖7所示,則賽車在加速的過程中( )
圖7
A.速度隨時(shí)間均勻增大B.加速度隨時(shí)間均勻增大
C.輸出功率為240kWD.所受阻力大小為24000N
9.(多選)(2023·重慶市沙坪壩等主城六區(qū)第一次調(diào)研抽測(cè))在平直公路上,質(zhì)量為m的汽車以速度v0勻速行駛,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為P.某時(shí)刻駕駛員加大油門,發(fā)動(dòng)機(jī)功率立即增為2P并保持該功率繼續(xù)行駛.假設(shè)汽車行駛過程中所受阻力不變.從駕駛員加大油門開始計(jì)時(shí),汽車的速度v與時(shí)間t的關(guān)系如圖8(經(jīng)時(shí)間t1后汽車以2v0勻速運(yùn)動(dòng)),則下列判斷正確的是( )
圖8
A.t=0時(shí)刻汽車的加速度大小為eq \f(P,mv0)
B.汽車在eq \f(t1,2)時(shí)刻的牽引力大小為eq \f(4P,3v0)
C.在0~t1時(shí)間內(nèi)汽車行駛的位移大小為2v0t1-eq \f(3mv03,2P)
D.在0~t1時(shí)間內(nèi)阻力對(duì)汽車所做的功為2Pt1-eq \f(3mv02,2)
10.(2023·廣東東莞市模擬)汽車以恒定功率P、初速度v0沖上傾角大小一定的斜坡時(shí),汽車受到的阻力恒定不變,則汽車上坡過程的v-t圖像不可能是下圖中的( )
11.(2023·福建廈門市上學(xué)期期末質(zhì)檢)航母的水平電磁彈射跑道長(zhǎng)度L=50m.一架質(zhì)量為m=4.0×104kg的戰(zhàn)斗機(jī)在跑道上由靜止開始做勻加速直線運(yùn)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力F1=2×105N,電磁彈射裝置水平推進(jìn)力F2=8.8×105N,戰(zhàn)斗機(jī)受到的阻力恒為自身重力的0.2倍,g=10m/s2.求:
(1)戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度大??;
(2)戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)動(dòng)到該跑道末端時(shí)推進(jìn)力F2的功率.
12.(2023·湖南長(zhǎng)沙市調(diào)研)某電動(dòng)機(jī)工作時(shí)輸出功率P與拉動(dòng)物體的速度v之間的關(guān)系如圖9(a)所示.現(xiàn)用該電動(dòng)機(jī)在水平地面拉動(dòng)一物體(可視為質(zhì)點(diǎn)),運(yùn)動(dòng)過程中輕繩始終處在拉直狀態(tài),且不可伸長(zhǎng),如圖(b)所示.已知物體質(zhì)量m=1kg,與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1=0.35,在出發(fā)點(diǎn)C左側(cè)s距離處另有長(zhǎng)為d=0.5m的粗糙材料鋪設(shè)的地面AB段,物體與AB段間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2=0.45(g取10m/s2).
圖9
(1)若s足夠長(zhǎng),電動(dòng)機(jī)功率為2W時(shí),物體在地面能達(dá)到的最大速度是多少;
(2)若啟動(dòng)電動(dòng)機(jī),物體在C點(diǎn)從靜止開始運(yùn)動(dòng),到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度恰好達(dá)到0.5m/s,則BC間的距離s是多少;物體能通過AB段嗎?如果不能,停在何處?
答案精析
1.B [對(duì)小滑環(huán)受力分析,其受重力和支持力,將重力沿桿的方向和垂直桿的方向正交分解,小滑環(huán)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),設(shè)桿與水平方向的夾角為θ,圓的半徑為R,根據(jù)牛頓第二定律得,加速度a=gsinθ,由題圖可知,小滑環(huán)的位移s=2Rsinθ,又s=eq \f(1,2)at2,所以t=eq \r(\f(2s,a))=eq \r(\f(2×2Rsinθ,gsinθ))=eq \r(\f(4R,g)),t與θ無關(guān),即t1=t2=t3,而三個(gè)環(huán)重力做功W1>W2>W3,所以有:P1>P2>P3,B正確.]
2.C [由平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可知:x1=v0t1,y1=eq \f(1,2)gt12,設(shè)斜面的傾角為θ,則tanθ=eq \f(y1,x1),可得t1=eq \f(2v0tanθ,g),s1=eq \f(y1,sinθ)=eq \f(2v02tan2θ,gsinθ),P1=mgvy1=mg2t1=2mgv0tanθ;同理可得:s1+s2=eq \f(8v02tan2θ,gsinθ),P2=4mgv0tanθ,可得s1∶s2=1∶3,P1∶P2=1∶2,則選項(xiàng)C正確,A、B、D錯(cuò)誤.]
3.BCD [0~6s內(nèi)物體的位移大小等于v-t圖像中圖線與t軸所包圍的面積,為:x=eq \f(1,2)×2×
2m+4×2m=10m,故A錯(cuò)誤;0~2s內(nèi)物體的加速度為:a=eq \f(Δv,Δt)=eq \f(2,2)m/s2=1 m/s2,由題圖可知,當(dāng)P=30W時(shí),v=2m/s,得到牽引力:F1=eq \f(P,v)=eq \f(30,2)N=15N,在0~2s內(nèi)物體位移為x1=2m,則拉力做的功為:W1=F1x1=15×2J=30J,同理,2~6s內(nèi)拉力做的功為:W2=Pt=10×4J=40J,所以0~6s內(nèi)拉力做的總功為:W=30J+40J=70J,故B正確;在2~6s內(nèi),v=2m/s,P=10W,物體做勻速直線運(yùn)動(dòng),F(xiàn)=f,則滑動(dòng)摩擦力為:f=F=eq \f(P,v)=eq \f(10,2)N=5N;0~2s內(nèi)由牛頓第二定律可得:F1-f=ma,可知:m=10kg,故C、D正確.]
4.D [設(shè)繩子與豎直方向的夾角為θ,因?yàn)锳做勻速直線運(yùn)動(dòng),在豎直方向上合力為零,有:Fcsθ=mg,因?yàn)棣仍龃?,則F增大,水平方向合力為零,有:N=Fsinθ,F(xiàn)增大,N增大,故A、B錯(cuò)誤;物體A沿繩子方向上的分速度v1=vcsθ,該速度等于自由端的速度,θ增大,自由端速度減小,拉力的功率P=Fv1=eq \f(mg,csθ)·vcsθ=mgv,知拉力的功率不變,故C錯(cuò)誤,D正確.]
5.C [勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度為:a=eq \f(Δv,Δt)=eq \f(20,5)m/s2=4 m/s2,根據(jù)牛頓第二定律得:F-f=ma,
解得牽引力為:F=f+ma=0.1×1×104N+1×103×4N=5×103N,故A錯(cuò)誤;額定功率為:
P=Fv=5000×20W=100000W=100kW,
當(dāng)汽車的速度是25m/s時(shí),牽引力:
F′=eq \f(P,v′)=eq \f(100000,25)N=4000N,
汽車的加速度:a′=eq \f(F′-f,m)=eq \f(4000-0.1×1×104,1×103)m/s2=3 m/s2,故B錯(cuò)誤,C正確;當(dāng)牽引力與阻力相等時(shí),汽車的速度最大,最大速度為:vm=eq \f(P,F)=eq \f(P,f)=eq \f(100000,1000)m/s=100 m/s,故D錯(cuò)誤.]
6.D [由題圖可知,0~t0時(shí)間內(nèi)功率與時(shí)間成正比,則有F-mg=ma,v=at,P=Fv,得P=m(a+g)at,因此圖線斜率k=eq \f(P0,t0)=m(a+g)a,可知a≠eq \f(P0,mt0),B選項(xiàng)錯(cuò)誤;t0時(shí)刻后功率保持不變,物塊速度v增大,由eq \f(P0,v)-mg=ma知,物塊加速度逐漸減小,物塊做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng),直到加速度減小到零,即t1時(shí)刻,此刻速度最大,最大速度為vm=eq \f(P0,mg),A、C選項(xiàng)錯(cuò)誤;P-t圖線與t軸所圍的面積表示0~t1時(shí)間內(nèi)拉力做的功,W=eq \f(P0t0,2)+P0(t1-t0),由動(dòng)能定理得W-mgh=eq \f(mvm2,2),得h=eq \f(P0,mg)(t1-eq \f(t0,2))-eq \f(P02,2m2g3),D選項(xiàng)正確.]
7.A [貨車勻速上坡的過程中,根據(jù)平衡條件得:牽引力大小F=0.01mg+mgsinθ=0.01×4.0×104×10N+4.0×104×10×eq \f(0.04,1)N=2×104N,故A正確;根據(jù)P=Fv得:v=eq \f(P,F)=eq \f(2×105,2×104)m/s=10 m/s=36km/h,故B錯(cuò)誤;上坡過程增加的重力勢(shì)能等于汽車牽引力所做的功與克服阻力所做的功之差,故C錯(cuò)誤;由于汽車勻速上坡,根據(jù)功能關(guān)系知,上坡過程增加的機(jī)械能等于汽車牽引力做功與克服阻力所做的功之差,故D錯(cuò)誤.]
8.C [由題圖可知,加速度變化,故做變加速直線運(yùn)動(dòng),故A錯(cuò)誤;a-eq \f(1,v)函數(shù)方程為a=eq \f(400,v)-4,賽車加速運(yùn)動(dòng),速度增大,加速度減小,故B錯(cuò)誤;對(duì)賽車受力分析,受重力、支持力、牽引力和摩擦力,根據(jù)牛頓第二定律,有:F-f=ma,其中:F=eq \f(P,v);聯(lián)立得:a=eq \f(P,mv)-eq \f(f,m);結(jié)合圖線,當(dāng)賽車的速度最大時(shí),加速度為零,故結(jié)合圖像可以知道,a=0時(shí),eq \f(1,v)=0.01,v=100m/s,所以最大速度為100 m/s;由圖像可知:eq \f(f,m)=4,解得:f=4m=4×600N=
2400N;0=eq \f(1,600)·eq \f(P,100)-eq \f(f,600),解得:P=240kW,故C正確,D錯(cuò)誤.]
9.ACD [汽車勻速行駛時(shí),有阻力f=eq \f(P,v0),t=0時(shí)刻汽車的牽引力為F=eq \f(2P,v0),根據(jù)牛頓第二定律得,汽車的加速度大小為a=eq \f(F-f,m)=eq \f(\f(2P,v0)-\f(P,v0),m)=eq \f(P,mv0),故A正確;若汽車做勻加速直線運(yùn)動(dòng),v=eq \f(v0+2v0,2)=eq \f(3v0,2),由2P=Fv,可得F=eq \f(2P,v)=eq \f(4P,3v0),但汽車做變加速直線運(yùn)動(dòng),無法求得eq \f(t1,2)時(shí)刻的瞬時(shí)速度,故牽引力的大小F≠eq \f(4P,3v0),故B錯(cuò)誤;汽車的功率保持不變,牽引力為變力,由動(dòng)能定理2P·t1-fx=eq \f(1,2)m(2v0)2-eq \f(1,2)mv02,解得x=2v0t1-eq \f(3mv03,2P),則Wf=fx=2Pt1-eq \f(3,2)mv02,故C正確,D正確.]
10.A [由瞬時(shí)功率P=Fv可知,汽車功率恒定,汽車開始所受牽引力F=eq \f(P,v0),若汽車受到的合外力F合=0,則汽車做勻速運(yùn)動(dòng),B項(xiàng)中v-t圖像是可能的;若F合與牽引力方向相同,則汽車做加速運(yùn)動(dòng),隨著速度增大,牽引力逐漸減小,合外力減小,由牛頓第二定律可知,汽車的加速度減小,直至減小到零,C項(xiàng)中v-t圖像是可能的,A項(xiàng)中v-t圖像是不可能的;若F合與牽引力方向相反,則汽車做減速運(yùn)動(dòng),牽引力增大,合外力減小,由牛頓第二定律可知,汽車的加速度減小,直至減小到零,D項(xiàng)中v-t圖像是可能的.]
11.(1)25m/s2 (2)4.4×107W
解析 (1)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)受力分析,根據(jù)牛頓第二定律知:
F2+F1-f=ma
代入數(shù)據(jù)解得:a=25m/s2
(2)設(shè)戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)動(dòng)到該跑道末端時(shí)速度為v,則有:2aL=v2
推進(jìn)力F2的功率為:P=F2v
聯(lián)立解得:P=4.4×107W.
12.(1)eq \f(4,7)m/s (2)0.25m
不能 物體最后停在AB中點(diǎn)位置
解析 (1) 電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)物體后,物體速度最大時(shí),加速度為零,則水平方向所受拉力F等于摩擦力
F1=f1=μ1mg=3.5 N
根據(jù)P=Fv有:vm=eq \f(P,F1)=eq \f(4,7) m/s;
(2)當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度小于0.5 m/s時(shí),繩子對(duì)物體的拉力為恒力,物體做勻加速運(yùn)動(dòng),
拉力F=eq \f(P,v)=4 N
由牛頓第二定律得F-f1=ma1
解得:a1=0.5 m/s2
由s=eq \f(vB2,2a1)得,BC間的距離s=0.25 m
物體過B點(diǎn)后,f2=μ2mg=4.5 N,做減速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)大于0.5 m/s,拉力仍為恒力,物體做勻減速運(yùn)動(dòng)F-f2=ma2解得:a2=-0.5 m/s2
物體滑行x=eq \f(0-vB2,2a2)=0.25 m=eq \f(d,2)
則物體最后停在AB中點(diǎn)位置.
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