稿件来源:高途
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必修1
第三章 相互作用
3.5 力的分解
受力分析
抖空竹、弹珠和玩具火车,三代人的玩具见证了物理与时代的发展。抖空竹蕴含物理原理,是中国传统玩具;弹珠锻炼了孩子们的眼力和手力;玩具火车从手动到电动,反映了科技的进步。这些玩具不仅带来了乐趣,也见证了时代的变迁和物理学的应用。
如图甲所示是表演抖空竹的动作,假设空竹是光滑的,不考虑空竹的转动。某时刻表演者两手水平,空竹保持稳定,示意图如图乙所示;
①如果表演者双手离得更远一些,双手再次保持水平并稳定后,下列说法正确的是 ;
$\rm A$.两细线的拉力都变大 $\rm B$.两细线的拉力都变小
$\rm C$. 两细线的拉力都不变 $\rm D$.两细线的拉力合力变大
②假设空竹的重力为$G$,两绳子间夹角$\theta=60^\circ$,则绳子上的拉力大小为 ;
$\rm ABC$.对空竹受力分析,如图所示
根据平衡条件,可得$2F\cos\dfrac{\theta}{2}=G$,解得$F=\dfrac{G}{2\cos\dfrac{\theta}{2}}$,如果表演者双手离得更远一些,双手再次保持水平并稳定后,夹角将变大,则两细线的拉力$F$都变大。故$\rm A$正确;$\rm BC$错误;
$\rm D$.两种情况下,空竹均处于平衡状态,两细线的拉力合力与空竹的重力等大方向,保持不变。故$\rm D$错误;
故选:$\rm A$;
假设空竹的重力为$G$,两绳子间夹角$\theta=60^\circ$,则绳子上的拉力大小为$F=\dfrac{G}{2\cos\dfrac{\theta}{2}}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}G$;
如图($a$),一个小弹珠在固定的光滑轨道$AB$上往复运动,其位移$-$时间图像如图($b$)所示,则轨道$AB$的长度为 $\rm m$,小球在$t=0$到$t=6\;\rm s$内的平均速度大小为 $\rm m/s$;
根据$x-t$图像可知,小球在$0\sim2\;\rm s$向正方向运动,最大位移为$0.6\;\rm m$,$2\sim4\;\rm s$向反方向运动,位移大小也为$0.6\;\rm m$,$4\sim6\;\rm s$又向正方向运动,位移为$0.6\;\rm m$,由此可知轨道$AB$的长度为$L=0.6\;\rm m$
小球在$0\sim6\;\rm s$内的位移为$x=0.6\;\rm m$,其平均速度为$\overline{v}=\dfrac{x}{t}=0.1\;\rm \text{m}/\text{s}$;
用玩具卡车装载质量为$m$的匀质圆筒,为使其保持固定,将其置于两光滑斜面之间,如图所示。两斜面Ⅰ、Ⅱ固定在车上,倾角分别为$30^\circ$和$60^\circ$。重力加速度为$g$。当玩具卡车静止时,圆筒对斜面Ⅰ、Ⅱ压力的大小分别为$F_{1}$、$F_{2}$,则$F_{1}=$ ,$F_{2}=$ ;
由牛顿第三定律可知,斜面Ⅰ、Ⅱ对圆筒的支持力与圆筒对斜面Ⅰ、Ⅱ的压力分别为作用力与反作用力,对应力等大反向。则圆筒受重力、斜面Ⅰ、Ⅱ对圆筒的支持力$F_{1}$、$F_{2}$,圆筒受力分析如图所示
车沿平直公路匀速行驶,则圆筒所受合力为零,则斜面Ⅰ、Ⅱ对圆筒的支持力$F_{1}$与$F_{2}$的合力必与圆筒重力等大反向,则有$F_{1}=mg\cos30^\circ$,$F_{2}=mg\sin30^\circ$,解得$F_{1}=\dfrac{\sqrt{3}mg}{2}$,$F_{2}=\dfrac{mg}{2}$;
一玩具火车$A$的制动性能经如下测定:当它以$0.2\;\rm m/s$的速度在水平平直轨道上行驶时,在制动后需要$40\;\rm s$才能停下。现这列玩具火车正以$0.2\;\rm m/s$的速度在水平轨道上行驶,在其侧前方相距$75\;\rm cm$处有另一玩具火车$B$正以$0.06\;\rm m/s$的速度在一旁的平行轨道上同向行驶。现对玩具火车$A$采取制动措施,求两辆玩具汽车可能的会车时刻。
$6\\;\\rm s$和$\\dfrac{325}{6}\\text{ s}$。
"]]设这玩具火车的加速度为$a$,则$a =\dfrac{0-v_{A}}{t}=- 0.005\;\rm \text{m}/\text{s}^{2}$,设两列玩具火车在$t_{1}$时刻相遇,则$v_{A}t_{1}+\dfrac{1}{2}at_{1}^{2}=x_{0}+ v_{B}t_{1}$,解得$t_{1}=6\;\rm s$或$t_{1}=50\;\rm s$(舍去)
由于这列火车制动时间为$40\;\rm s$,说明两列车相遇后,这列玩具车向前运动停止后,另一列火车与之相遇,由题得,这列玩具制动的总位移为$s=\dfrac{v_{A}}{2}t=4\;\rm m$,设第二次相遇在$t_{2}$时刻,则$s=x_{0}+v_{B}t_{2}$,解得$t_{2}=\dfrac{325}{6}\;\rm s$,两辆玩具汽车可能的会车时刻为$6\;\rm s$和$\dfrac{325}{6}\;\rm s$。
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