【物理】高考必刷题物理牛顿运动定律的应用题及解析

【物理】高考必刷题物理牛顿运动定律的应用题及解析

一、高中物理精讲专题测试牛顿运动定律的应用

1．如图甲所示，一倾角为37°的传送带以恒定速度运行．现将一质量m＝1 kg的小物体抛上传送带，物体相对地面的速度随时间变化的关系如图乙所示，取沿传送带向上为正方向，g＝10 m/s2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8：求：

（1）物体与传送带间的动摩擦因数；

（2） 0～8 s内物体机械能的增加量；

（3）物体与传送带摩擦产生的热量Q。

【答案】(1)μ＝0.875.(2)ΔE＝90 J（3）Q＝126 J

【解析】

【详解】

(1)由图象可以知道,传送带沿斜向上运动,物体放到传送带上的初速度方向是沿斜面向下的,且加速大小为的匀减速直线运动,对其受力分析,由牛顿第二定律得:

可解得：μ＝0.875.

（2）根据v-t图象与时间轴围成的“面积”大小等于物体的位移,可得0～8 s 内物体的位移

0～8 s s内物体的机械能的增加量等于物体重力势能的增加量和动能增加量之和,为

(3) 0～8 s内只有前6s发生相对滑动. 0～6 s内传送带运动距离为:

0～6 s内物体位移为:

则0～6 s内物体相对于皮带的位移为

0～8 s内物体与传送带因为摩擦产生的热量等于摩擦力乘以二者间的相对位移大小,

代入数据得：Q＝126 J

故本题答案是：(1)μ＝0.875.(2)ΔE＝90 J（3）Q＝126 J

【点睛】

对物体受力分析并结合图像的斜率求得加速度，在v-t图像中图像包围的面积代表物体运动做过的位移。

2．在一个水平面上建立x 轴，在过原点O 垂直于x 轴的平面的右侧空间有一个匀强电场，场强大小E=6.0×105 N/C ，方向与x 轴正方向相同，在原点O 处放一个质量m=0.01 kg

带负电荷的绝缘物块，其带电荷量q = -5×10－

8 C ．物块与水平面间的动摩擦因数μ=0.2，给

物块一个沿x 轴正方向的初速度v 0=2 m/s.如图所示．试求：

(1)物块沿x 轴正方向运动的加速度； (2)物块沿x 轴正方向运动的最远距离； (3)物体运动的总时间为多长？ 【答案】(1)5 m/s 2 (2)0.4 m (3)1.74 s 【解析】 【分析】

带负电的物块以初速度v 0沿x 轴正方向进入电场中，受到向左的电场力和滑动摩擦力作用，做匀减速运动，当速度为零时运动到最远处，根据动能定理列式求解；分三段进行研究：在电场中物块向右匀减速运动，向左匀加速运动，离开电场后匀减速运动．根据运动学公式和牛顿第二定律结合列式，求出各段时间，即可得到总时间． 【详解】

（1）由牛顿第二定律可得mg Eq ma μ+= ，得25m/s a =

（2）物块进入电场向右运动的过程，根据动能定理得：()2101

02

mg Eq s mv μ-+=-． 代入数据，得：s 1=0.4m

（3）物块先向右作匀减速直线运动，根据：00111??22

t v v v

s t t +==，得：t 1=0.4s 接着物块向左作匀加速直线运动：221m/s qE mg a m

＝μ-=． 根据：21221

2

s a t =

得220.2t s = 物块离开电场后，向左作匀减速运动：232m/s mg

a g m

μμ=-=-=-

根据：3322a t a t = 解得30.2t s =

物块运动的总时间为：123 1.74t t t t s =++= 【点睛】

本题首先要理清物块的运动过程，运用动能定理、牛顿第二定律和运动学公式结合进行求解．

3．如图1所示， 质量为M 的长木板，静止放置在粗糙水平地面上，有一个质量为m 、可

视为质点的物块，以某一水平初速度v 0从左端冲上木板。从物块冲上木板到物块和木板达到共同速度的过程中，物块和木板的v -t 图象分别如图2中的折线acd 和bcd 所示，a 、b 、c 、d 的坐标为a （0，10）、b （0，0）、c （4，4）、d （12，0），根据v -t 图象，求： （1）物块相对长木板滑行的距离△s ； （2）物块质量m 与长木板质量M 之比。

【答案】（1）20m （2）3:2 【解析】 【详解】

（1）由v-t 图象的物理意义可得，物块在木板上滑行的距离

10444m 4m 20m 22

s +?-?=V ＝

（2）设物块与木板之间的动摩擦因数μ1，木板和地面之间的动摩擦因数为μ2；物块冲上木板做匀减速直线运动的加速度大小为a 1，木板做匀加速直线运动的加速度大小为a 2，达相同速度后一起匀减速直线运动的加速度大小为a ，根据牛顿第二定律 对物块：

μ1mg =ma 1①

对木板：

μ1mg -μ2（m +M ）g =Ma 2 ②

对整体：

μ2（m +M ）g =（M +m ）a ③

由图象的斜率等于加速度可得，a 1＝1.5m/s 2，a 2＝1m/s 2，a =0.5m/s 2。 由以上各式解得

3

2

m M ＝

4．如图所示，质量M =8kg 的小车放在光滑水平面上，在小车左端加一水平推力F =8N ，当小车向右运动的速度达到1.5m/s 时，在小车前端轻轻地放上一个大小不计，质量为m =2kg 的小物块，物块与小车间的动摩擦因数为0.2，小车足够长．求：

（1）小物块刚放上小车时，小物块及小车的加速度各为多大？ （2）经多长时间两者达到相同的速度？共同速度是多大？

（3）从小物块放上小车开始，经过t=1.5s小物块通过的位移大小为多少？（取

g=10m/s2）．

【答案】（1）2m/s2，0.5m/s2（2）1s，2m/s（3）2.1m

【解析】

【分析】

(1)利用牛顿第二定律求的各自的加速度；

(2)根据匀变速直线运动的速度时间公式以及两物体的速度相等列式子求出速度相等时的时间，在将时间代入速度时间的公式求出共同的速度；

(3) 根据先求出小物块在达到与小车速度相同时的位移，再求出小物块与小车一体运动时的位移即可．

【详解】

(1) 根据牛顿第二定律可得

小物块的加速度：

m/s2

小车的加速度：

m/s2

(2)令两则的速度相等所用时间为t，则有：

解得达到共同速度的时间：t=1s

共同速度为：

m/s

(3) 在开始1s内小物块的位移

m

此时其速度：

m/s

在接下来的0.5s小物块与小车相对静止，一起做加速运动且加速度：

m/s2

这0.5s内的位移：

m

则小物块通过的总位移:

m

【点睛】

本题考查牛顿第二定律的应用，解决本题的关键理清小车和物块在整个过程中的运动情况，然后运用运动学公式求解．同时注意在研究过程中正确选择研究对象进行分析求解．

5．如图所示，在竖直平面内有一倾角θ=37°的传送带BC．已知传送带沿顺时针方向运行的

速度v=4 m/s，B、C两点的距离L=6 m。一质量m=0.2kg的滑块（可视为质点）从传送带上端B点的右上方比B点高h=0. 45 m处的A点水平抛出，恰好从B点沿BC方向滑人传送

带，滑块与传送带间的动摩擦因数μ=0.5，取重力加速度g=10m/s2 ，sin37°= 0.6，cos

37°=0.8。求：

(1)滑块水平抛出时的速度v0；

(2)在滑块通过传送带的过程中，传送带和滑块克服摩擦力做的总功W.

【答案】(1)v0=4m/s (2)W=8J

【解析】

【详解】

(1)滑块做平抛运动在B点时竖直方向的分速度为：

平抛后恰好沿BC方向滑人传送带，可知B点的平抛速度方向与传送带平行，

由几何关系及速度分解有：

解得：

(2)滑块在B点时的速度大小为

滑块从B点运动到C点过程中，由牛顿第二定律有：

可得加速度

设滑块到达C点时的速度大小为v C，有：

解得：

此过程所经历的时间为：

故滑块通过传送带的过程中，以地面为参考系，滑块的位移x1=L=6m，

传送带的位移x2=vt=4m；

传送带和滑块克服摩擦力所做的总功为：

代入数据解得：

【点睛】

此题需注意两点，(1)要利用滑块沿BC 射入来求解滑块到B 点的速度；(2)计算摩擦力对物体做的功时要以地面为参考系来计算位移。

6．如图a 所示,质量为M=1kg 的木板静止在光滑水平面上,质量为m=1kg 的物块以初速度v 0=2.0m/s 滑上木板的左端,物块与木板之间的动摩擦因数为0.2，μ=在物块滑上木板的同时,给木板施加一个水平向右的恒力F ，当恒力F 取某一值时,物块在木板上相对于木板滑动的路程为s ，给木板施加不同大小的恒力F,得到

1

F s

-的关系如图b 所示，当恒力F=0N 时,物块恰不会从木板的右端滑下．将物块视为质点,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度g 取10m/s 2，试求:

(1)求木板长度；

(2)要使物块不从木板上滑下,恒力F 的范围； (3)图b 中CD 为直线,求该段的

1

F s

-的函数关系式． 【答案】（1）0.5m （2）F≤4N ；（3）144

F s += 【解析】 【分析】

（1）当恒力F=0N 时，物块恰不会从木板的右端滑下，根据动能定理牛顿第二定律求解物块和木板的加速度，当两物体共速时，物块相对木板的位移恰为木板的长度；（2）当F=0时，物块恰能滑到木板右端，当F 增大时，物块减速、木板加速，两者在木板上某一位置具有共同速度；当两者共速后能保持相对静止（静摩擦力作用）一起以相同加速度a 做匀加速运动，根据牛顿第二定律求解F 的最大值；

（2）当0≤F≤F m 时，随着F 力增大，S 减小，当F=F m 时，出现S 突变，说明此时物块、木板在达到共同速度后，恰好再次发生相对运动，物块将会从木板左端掉下．对二者恰好发生相对运动时，由牛顿第二定律列式结合运动公式即可求解． 【详解】

（1）当恒力F=0N 时，物块恰不会从木板的右端滑下，则物块的加速度

212/mg

a g m s m

μμ=

== ；

木板的加速度：222/mg

a m s M

μ=

=；

物块与木板共速时v 0-a 1t 1=a 2t 1

解得t 1=0.5s ，

则木板的长度：22

011121110.522

L v t a t a t m =-

-= （2）当F=0时，物块恰能滑到木板右端，当F 增大时，物块减速、木板加速，两者在木板上某一位置具有共同速度；当两者共速后能保持相对静止（静摩擦力作用）一起以相同加

速度a 做匀加速运动，则：F

a M m

+＝

，而f=ma ， 由于静摩擦力存在最大值，所以：f≤f max =μmg=2N ， 联立解得：F≤4N ；

（3）当0≤F≤4N 时，最终两物体达到共速，并最后一起相对静止加速运动，对应着图（b)中的AB 段，当F >4N 时对应（b)中的CD 段，当两都速度相等后，物块相对于木板向左滑动，木板上相对于木板滑动的路程为s=2Δx

当两者具有共同速度v ，历时t ， 则：2M F mg

a F M

μ+=+＝ a m ＝

mg

m

μ＝μg ＝2m /s 2

根据速度时间关系可得：v 0-a m t=a M t 根据位移关系可得：Δx ＝v 0t ?12a m t 2?1

2

a M t 2 s=2Δx

联立

1s ?F 函数关系式解得：14

4F s += 【点睛】

本题考查牛顿运动定律．滑块问题是物理模型中非常重要的模型，是学生物理建模能力培养的典型模型．滑块问题的解决非常灵活，针对受力分析、运动分析以及牛顿第二定律的掌握，还有相对运动的分析，特别是摩擦力的变化与转型，都是难点所在．本题通过非常规的图象来分析滑块的运动，能从图中读懂物体的运动．

7．风洞实验室中可产生水平方向的，大小可调节的风力．现将一套有球的细直杆放入风洞实验室．小球孔径略大于细杆直径．如图所示．

（1）当杆水平固定时，调节风力的大小，使小球在杆上做匀速运动，这时小球所受的风力为小球所受重力的0.5倍，求小球与杆间的动摩擦因数．

（2）保持小球所受风力不变，使杆与水平方向夹角为37°并固定，则小球从静止出发在细

杆上滑下距离s=3.75m 所需时间为多少？（sin37°=0.6，cos37°=0.8） 【答案】（1）0.5（2）1s 【解析】 【分析】 【详解】

（1）小球做匀速直线运动，由平衡条件得：0.5mg=μmg ，则动摩擦因数μ=0.5； （2）以小球为研究对象，在垂直于杆方向上，由平衡条件得：

000.5sin 37cos37N F mg mg +=

在平行于杆方向上，由牛顿第二定律得：00

0.5cos37sin 37N mg mg F ma μ+-=

代入数据解得：a=7.5m/s 2

小球做初速度为零的匀加速直线运动，由位于公式得：s=12

at 2 运动时间为22 3.7517.5

s t s s a ?===； 【点睛】

此题是牛顿第二定律的应用问题，对小球进行受力分析是正确解题的前提与关键，应用平衡条件用正交分解法列出方程、结合运动学公式即可正确解题．

8．高台滑雪以其惊险刺激而闻名，运动员在空中的飞跃姿势具有很强的观赏性。某滑雪轨道的完整结构可以简化成如图所示的示意图。其中AB 段是助滑坡，倾角α=37°，BC 段是水平起跳台，CD 段是着陆坡，倾角θ=30°，DE 段是停止区，AB 段与BC 段平滑相连，轨道各部分与滑雪板间的动摩擦因数均为μ=0.03，图中轨道最高点A 处的起滑台距起跳台BC 的竖直高度h=47m 。运动员连同滑雪板的质量m=60kg ，滑雪运动员从A 点由静止开始起滑，通过起跳台从C 点水平飞出，运动员在着陆坡CD 上的着陆位置与C 点的距离l =120m 。设运动员在起跳前不使用雪杖助滑，忽略空气阻力的影响，取重力加速度g=10m/s 2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。求：

（1）运动员在助滑坡AB 上运动加速度的大小； （2）运动员在C 点起跳时速度的大小；

（3）运动员从起滑台A 点到起跳台C 点的过程中克服摩擦力所做的功。 【答案】（1） （2）

（3）

【解析】

（1）运动员在助滑坡AB上运动时，根据牛顿第二定律得：mg sinα-μmgcosα=ma

解得：a=g（sinα-μcosα）=10×（0.6-0.03×0.8）=5.76m/s2．

（2）设运动员从C点起跳后到落到着陆坡上的时间为t，C点到着陆坡上着陆点的距离为L．运动员从C点起跳后做平抛运动，则有

竖直方向：Lsinθ=gt2…①

水平方向：Lcosθ=v0t…②

由①：②得：tanθ=

解得 t=2s，v0=30m/s

（3）运动员从起滑台A点到起跳台C点的过程，根据动能定理得

mgh-W f=mv02

解得克服摩擦力所做的功 W f=mgh-mv02=60×10×47-×60×302=1200J

【点睛】

本题要分析清楚运动员的运动情况，知道运动员先做匀加速运动，后做匀减速运动，最后平抛运动，是动能定理和平抛运动的综合，要善于运用斜面的倾角研究平抛运动两个分位移之间的关系，求出时间．

9．某粮仓为了把大米送到一定高度处的储藏间，铺设如图所示的传输装置，其中 AB 为长度 L1=4m的水平传送带，CD 为长度 L2=9m、倾角θ=37°的倾斜传送带，两传送带的运行速度可调。现将一袋大米无初速地放在 A 端，设米袋从 B 转移到 C 时速度大小不变，已知米袋与两传送带之间的动摩擦因数均为μ=0.5，最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，重力加速度 g=10m/s2，sin37°=0.6， cos37°=0.8。现在对设备按照如下两种方式进行调试：

（1）使水平传送带以 v1=5m/s 的速度顺时针匀速转动，倾斜传送带不转动。求：

①米袋在水平传送带上加速运动的距离；

②米袋沿倾斜传送带所能上滑的距离。

（2）使两条传送带以相同的速度 v2 顺时针匀速转动，为了使米袋能被运送到 D 端，试通过分析计算 v2 的最小值。

【答案】（1）①2.5m；②1.25m （2）6m/s

【详解】

（1）①对米袋，根据牛顿第二定律得

1mg ma μ=

加速阶段，当米袋速度增加到和传送带一样时，根据运动学公式得

21112v a s =

解得1 2.5m s =

②倾斜传送带不动，米袋沿传送带向上做匀减速运动，根据牛顿第二定律得

2sin cos mg mg ma θμθ+=

因11s L <，故米袋到达C 时速度大小为1v ，设米袋在CD 所能上滑的距离为2s ，则有

21222v a s =

解得2 1.25m s =

可见，22s L <，故米袋沿倾斜传送带所能上滑的距离为1.25m 。

（2）sin cos mg mg θμθ>，所以无论如何调节倾斜传送带速度，米袋所受合力均沿传送带向下。为使米袋能到达D 端且在C 端所需速度最小，应使其向上运动过程中所受滑动摩擦力始终沿传送带向上，此时对米袋应用牛顿第二定律得

3sin cos mg mg ma θμθ-=

22322v a L =

解得26m/s v =

在水平传送带上，当米袋速度增加到等于26m/s v =时，其加速距离为3s ，则

22132v a s =

可见，31s L <，故米袋在水平传送带上能被加速到26m/s v =，所以2v 最小值为

26m/s v =

10．《中华人民共和国道路交通安全法》规定：汽车在高速公路上行驶的最高速度不能超过120km/h ．有一卡车甲在高速公路上发生了故障，警察在距离故障车150m 处放置了警告标示牌，以提醒后方的车辆．另有一小轿车乙正以120km/h 的速度向故障车驶来，司机突然发现了警告标示牌，此时车辆距标示牌距离d=20m ，司机立即紧急刹车．已知司机的反应时间t =0.3s ，路面与轮胎之间的动摩擦因数为0.5，重力加速度g 取10m/s 2．求： (1)在反应时间内轿车的位移大小； (2)刹车过程的加速度大小； (3)计算分析甲、乙两车是否相撞．

【答案】()110m ；()225/m s ；()3甲、乙两车不会相撞 【解析】 【详解】

（1）司机的反应时间0.3s 内，轿车做匀速直线运动， 由题意知：0100

120//3

v km h m s ==

所以在反应时间内轿车的位移大小10100

0.3103

x v t m m ==?= （2）刹车过程，根据牛顿第二定律得mg ma μ=

得25/a m s =．

（3）轿车刹车后做匀减速直线运动，发生位移为

()2

2

2100(

)

010003111.12259

v x m m m a --===≈--? 当轿车司机发现警告标示牌到刹车停下时通过的总位移为12121x x x m =+= 因150********x d m m m m <+=+=． 故轿车乙不会与故障车甲相撞．