题目内容

4.如图所示,半径为r=1m的长圆柱体绕水平轴OO′以角速度ω=2rad/s匀速转动,将一质量为m=1kg的物体A(可看作质点)放在圆柱体的正上方,并用平行于转轴的光滑挡板(图中未画出),挡住使它不随着圆柱体一起转动而下滑,物块与圆柱体间动摩擦因数为0.4.现用平行于水平转轴的力F推物体,使物体以a=2m/s2的加速度,向右由静止开始匀加速滑动并计时,整个过程没有脱离圆柱体,重力加速度g取10m/s2,则:
(1)若没有推力F,滑块静止于圆柱体上时,挡板对滑块的弹力大小;
(1)存在推力F时,F是否为恒力,若是求其大小;若不是,求其大小与时间的关系;
(2)存在推力F时,带动圆柱体匀速转动的电动机输出功率与时间关系.

分析 (1)若没有推力F,滑块静止于圆柱体上时,则挡板对滑块的弹力大小等于圆柱体对滑块的摩擦力大小;
(2)根据速度的合成与分解原则求出物体A相对于圆柱体的速度和相对速度与力F方向的夹角,根据F与f的关系求解即可;
(3)根据动能的表达式求出物体在t时刻的动能,再求出摩擦力的功率,根据能量守恒定律求解带动圆柱体匀速转动的电动机输出功率的瞬时表达式.

解答 解:(1)若没有推力F,滑块静止于圆柱体上时,则挡板对滑块的弹力大小等于圆柱体对滑块的摩擦力大小,
则FN=f=μmg=0.4×10=4N
(2)圆柱体边缘的线速度为:v1=ωr=2m/s,
某时刻t物体沿水平方向运动的速度v=at=2t,
此时物体A相对于圆柱体的速度为:${v}_{相}=\sqrt{{v}^{2}+{{v}_{1}}^{2}}=\sqrt{{2}^{2}+(2t)^{2}}=2\sqrt{1+{t}^{2}}$,
相对速度与力F方向的夹角:cos$θ=\frac{v}{{v}_{相}}=\frac{2t}{2\sqrt{1+{t}^{2}}}=\frac{t}{\sqrt{1+{t}^{2}}}$
推力F=fcosθ,滑动摩擦力f=μmg,
解得:F=$\frac{μmgt}{\sqrt{1+{t}^{2}}}$,
即存在推力F时,F不是恒力,其大小与时间的关系F=$\frac{μmgt}{\sqrt{1+{t}^{2}}}$,
(3)物体在t时刻的动能${E}_{k}=\frac{1}{2}m{v}^{2}=\frac{1}{2}m(2t)^{2}=2m{t}^{\;}$,
摩擦力的功率${P}_{f}=f{v}_{相}=μmg•2\sqrt{1+{t}^{2}}$,
则带动圆柱体匀速转动的电动机输出功率P=$\frac{{E}_{k}}{t}+{P}_{f}=2mt+2μmg\sqrt{1+{t}^{2}}$.
答:(1)若没有推力F,滑块静止于圆柱体上时,挡板对滑块的弹力大小为4N;
(1)存在推力F时,F不是恒力,其大小与时间的关系F=$\frac{μmgt}{\sqrt{1+{t}^{2}}}$;
(2)存在推力F时,带动圆柱体匀速转动的电动机输出功率与时间关系为$P=2mt+2μmg\sqrt{1+{t}^{2}}$.

点评 本题考查了速度额合成与分解,功率公式、滑动摩擦力的公式以及能量守恒定律的应用,注意滑动摩擦力的方向与物体的相对运动方向相反,此题有一定的难度,综合考查了学生对物理规律的认识程度.

练习册系列答案
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9.如图1所示,将打点计时器固定在铁架台上,用重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置可验证机械能守恒定律.
①已准备的器材有打点计时器(带导线)、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物,此外还需要的器材是D(填字母代号).
A.直流电源、天平及砝码    B.直流电源、毫米刻度尺
C.交流电源、天平及砝码    D.交流电源、毫米刻度尺
②实验中需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h.某同学对实验得到的纸带,设计了以下四种测量方案,这些方案中合理的是:D.
A.用刻度尺测出物体下落的高度h,由打点间隔数算出下落时间t,通过v=gt计算出瞬时速度v
B.用刻度尺测出物体下落的高度h,并通过v=$\sqrt{2gh}$计算出瞬时速度v
C.根据做匀变速直线运动时,纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出瞬时速度v,并通过h=$\frac{{v}^{2}}{2g}$计算得出高度h
D.用刻度尺测出物体下落的高度h,根据做匀变速直线运动时,纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出瞬时速度v
③安装好实验装置,正确进行实验操作,从打出的纸带中选出符合要求的纸带,如图2所示.图中O点为打点起始点,且速度为零.选取纸带上打出的连续点A、B、C、…作为计数点,测出其中E、F、G点距起始点O的距离分别为h1、h2、h3,已知重锤质量为m,当地重力加速度为g1,计时器打点周期为T.为了验证此实验过程中机械能是否守恒,需要计算出从0点到F点的过程中,重锤重力势能的减少量△Ep=mgh2,动能的增加量△Ek=$\frac{m({h}_{3}-{h}_{2})^{2}}{8{T}^{2}}$(用题中所给字母表示).
④实验结果往往是重力势能的减少量略大于动能的增加量,关于这个误差下列说法正确的是BD
A.该误差属于偶然误差
B.该误差属于系统误差
C.可以通过多次测量取平均值的方法来减小该误差
D.可以通过减小空气阻力和摩擦阻力的影响来减小该误差
⑤某同学在实验中发现重锤增加的动能略小于重锤减少的重力势能,于是深入研究阻力对本实验的影响.若重锤所受阻力为f,重锤质量为m,重力加速度为g.他测出各计数点到起始点的距离h,并计算出各计数点的速度v,用实验测得的数据绘制出图线,如图3所示.图象是一条直线,此直线斜率k=$\frac{2(mg-f)}{m}$(用题中字母表示).已知当地的重力加速度g=9.8m/s2,由图线求得重锤下落时受到阻力与重锤所受重力的百分比为上=2.0%(保留两位有效数字).

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