高考物理临界状态的假设解决物理试题的推断题综合复习及答案解析

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高考物理临界状态的假设解决物理试题的推断题综合复习及答案解析一、临界状态的假设解决物理试题1.如图甲所示,小车B 紧靠平台的边缘静止在光滑水平面上,物体A (可视为质点)以初速度v 0从光滑的平台水平滑到与平台等高的小车上,物体和小车的v -t 图像如图乙所示,取重力加速度g =10m /s 2,求:(1)物体A 与小车上表面间的动摩擦因数; (2)物体A 与小车B 的质量之比; (3)小车的最小长度。

【答案】(1)0.3;(2)13;(3)2m 【解析】 【分析】 【详解】(1)根据v t -图像可知,A 在小车上做减速运动,加速度的大小21241m /s 3m /s 1v a t ==∆-∆=若物体A 的质量为m 与小车上表面间的动摩擦因数为μ,则1mg ma μ=联立可得0.3μ=(2)设小车B 的质量为M ,加速度大小为2a ,根据牛顿第二定律2mg Ma μ=得13m M = (3)设小车的最小长度为L ,整个过程系统损失的动能,全部转化为内能22011()22mgL mv M m v μ=-+解得L =2m2.如图所示,用长为L =0.8m 的轻质细绳将一质量为1kg 的小球悬挂在距离水平面高为H =2.05m 的O 点,将细绳拉直至水平状态无初速度释放小球,小球摆动至细绳处于竖直位置时细绳恰好断裂,小球落在距离O 点水平距离为2m 的水平面上的B 点,不计空气阻力,取g =10m/s 2求:(1)绳子断裂后小球落到地面所用的时间; (2)小球落地的速度的大小; (3)绳子能承受的最大拉力。

【答案】(1)0.5s(2)6.4m/s(3)30N 【解析】 【分析】 【详解】(1)细绳断裂后,小球做平抛运动,竖直方向自由落体运动,则竖直方向有212AB h gt =,解得2(2.050.8)s 0.5s 10t ⨯-==(2)水平方向匀速运动,则有02m/s 4m/s 0.5x v t === 竖直方向的速度为5m/s y v gt ==则2222045m/s=41m/s 6.4m/s y v v v =+=+≈(3)在A 点根据向心力公式得2v T mg m L-=代入数据解得24(1101)N=30N 0.8T =⨯+⨯3.小明同学站在水平地面上,手握不可伸长的轻绳一端,绳的另一端系有质量为m =0.3kg 的小球,甩动手腕,使球在竖直平面内做圆周运动.当球在某次运动到最低点时,绳恰好达到所能承受的最大拉力F 而断掉,球飞行水平距离s 后恰好无碰撞地落在临近的一倾角为α=53°的光滑斜面上并沿斜面下滑,已知斜面顶端与平台的高度差h =0.8 m .绳长r =0.3m(g 取10 m/s 2,sin 53°=0.8,cos 53°=0.6)求:(1)绳断时小球的速度大小v 1和小球在圆周最低点与平台边缘的水平距离s 是多少. (2)绳能承受的最大拉力F 的大小.【答案】(1)3m/s ,1.2m (2)12N 【解析】 【详解】(1)由题意可知:小球落到斜面上并沿斜面下滑,说明此时小球速度方向与斜面平行,否则小球会弹起,所以有v y =v 0 tan53°又v y 2=2gh ,代入数据得:v y =4m/s ,v 0=3m/s故绳断时球的小球做平抛运动的水平速度为3m/s ; 由v y =gt 1得:10.4s y v t g==则s =v 0 t 1=3×0.4m=1.2m(2)由牛顿第二定律:21mv F mg r-= 解得:F =12N4.用一根细线一端系一小球(可视为质点),另一端固定在一光滑锥顶上,如图所示。

设小球在水平:面内做匀速圆周运动的角速度为ω,线所受拉力为T ,则下列T 随2ω变化的图像可能正确的是( )A .B .C .D .【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】对小球受力分析如图当角速度较小时,小球在光滑锥面上做匀速圆周运动,根据向心力公式可得2sin cos sin T N mL θθθω-=⋅cos sin T N mg θθ+=联立解得22cos sin T mg mL θθω=+⋅当角速度较大时,小球离开光滑锥面做匀速圆周运动,根据向心力公式可得2sin sin T mL ααω=⋅则2T mL ω=综上所述,ABD 错误,C 正确。

故选C 。

5.如图所示,直线Oa 和Ob 的夹角为30︒,在两直线所夹的空间内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁场向右的区域无限大,磁感应强度为B 。

在P 点有速度相等的正、负离子沿垂直于Oa 方向射入磁场。

两离子的运动轨迹均与Ob 相切,若不计两离子间的相互作用力,则正、负两种离子的比荷之比为( )A .1:3B .3:1C .1:3D .3:1 【答案】D 【解析】 【详解】如图所示,由左手定则知磁场中的正离子向左偏转、负离子向右偏转。

洛伦兹力提供向心力,正离子有2v q vB m r=正正负离子有2v q vB m R=负负由几何关系知sin 30sin 30r Rr R ︒︒++= 解以上三式得3:1q q m m =负正负正 故选D 。

6.如图所示,轻质杆的一端连接一个小球,绕套在固定光滑水平转轴O 上的另一端在竖直平面内做圆周运动。

小球经过最高点时的速度大小为v ,杆对球的作用力大小为F ,其2F v -图像如图所示。

若图中的a 、b 及重力加速度g 均为已知量,规定竖直向上的方向为力的正方向。

不计空气阻力,由此可求得( )A .小球做圆周运动的半径为g bB .0F =时,小球在最高点的动能为ab gC .22v b =时,小球对杆作用力的方向向下D .22v b =时,杆对小球作用力的大小为a 【答案】D 【解析】 【详解】A .由图象知,当2v b =时,0F =,杆对小球无弹力,此时重力提供小球做圆周运动的向心力,有2v mg m r=解得b r g=故A 错误;B .由图象知,当20v =时,故有F mg a ==解得a m g=当2v b =时,小球的动能为2122k ab E mv g== 故B 错误;C .由图象可知,当22v b =时,有0F <则杆对小球的作用力方向向下,根据牛顿第三定律可知,小球对杆的弹力方向向上,故C 错误;D .由图象可知,当22v b =时,则有22v F mg m mg r+==解得F mg a ==故D 正确。

故选D 。

7.如图,“”型均匀重杆的三个顶点O 、A 、B 构成了一个等腰直角三角形,∠A 为直角,杆可绕O 处光滑铰链在竖直平面内转动,初始时OA 竖直.若在B 端施加始终竖直向上的外力F ,使杆缓慢逆时针转动120°,此过程中( )A .F 对轴的力矩逐渐增大,F 逐渐增大B .F 对轴的力矩逐渐增大,F 先增大后减小C .F 对轴的力矩先增大后减小,F 逐渐增大D .F 对轴的力矩先增大后减小,F 先增大后减小 【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】杆AO 的重心在AO 的中点,杆BO 的重心在BO 的中点,故整体重心在两个分重心的连线上某电,如图所示:当使杆缓慢逆时针转动120°的过程中,重力的力臂先增加后减小,故重力的力矩先增加后减小,根据力矩平衡条件,拉力的力矩先增加后减小;设直角边质量为m 1,长度为L ,斜边长为m 2,从图示位置转动角度θ(θ≤120°),以O 点为支点,根据力矩平衡条件,有:1222sin 45sin sin 4502L LF L m g m g θθθ⋅︒+-⋅-⋅+︒=()() 故()12122sin 111sin 411()2t 2521an F m g m g m g m gθθθ=⋅+=++︒+在θ从0°缓慢增加120°过程中,根据数学知识可得F 对轴的力矩先增大后减小,F 逐渐增大,C 正确;8.如图所示,在倾角为30°的光滑斜面上端系有一劲度系数为20N/m 的轻质弹簧,弹簧下端连一个质量为2千克的小球,球被一垂直于斜面的挡板A 挡住,此时弹簧没有形变.若挡板A 以4m/s 2的加速度沿斜面向下匀加速运动,则( )A .小球向下运动0.4m 时速度最大B .小球向下运动0.1m 时与挡板分离C .小球速度最大时与挡板分离D .小球从一开始就与挡板分离 【答案】B 【解析】试题分析:对球受力分析可知,当球受力平衡时,速度最大,此时弹簧的弹力与物体重力沿斜面的分力相等,由胡克定律和平衡条件即可求得小球向下运动的路程.从开始运动到小球与挡板分离的过程中,挡板A 始终以加速度a=4m/s 2匀加速运动,小球与挡板刚分离时,相互间的弹力为零,由牛顿第二定律和胡克定律结合求得小球的位移.解:A 、球和挡板分离前小球做匀加速运动;球和挡板分离后做加速度减小的加速运动,当加速度为零时,速度最大,此时物体所受合力为零. 即 kx m =mgsin30°, 解得:x m =由于开始时弹簧处于原长,所以速度最大时小球向下运动的路程为0.5m .故A 错误. 设球与挡板分离时位移为x ,经历的时间为t ,从开始运动到分离的过程中,m 受竖直向下的重力,垂直斜面向上的支持力F N ,沿斜面向上的挡板支持力F 1和弹簧弹力F .根据牛顿第二定律有:mgsin30°﹣kx ﹣F 1=ma ,保持a 不变,随着x 的增大,F 1减小,当m 与挡板分离时,F 1减小到零,则有: mgsin30°﹣kx=ma , 解得:x=m=0.1m ,即小球向下运动0.1m 时与挡板分离.故B 正确.C 、因为速度最大时,运动的位移为0.5m ,而小球运动0.1m 与挡板已经分离.故C 、D 错误. 故选B .【点评】解决本题的关键抓住临界状态:1、当加速度为零时,速度最大;2、当挡板与小球的弹力为零时,小球与挡板将分离.结合牛顿第二定律和运动学公式进行求解.9.如图所示,长为L 的轻质细长物体一端与小球(可视为质点)相连,另一端可绕O 点使小球在竖直平面内运动。

设小球在最高点的速度为v ,重力加速度为g ,不计空气阻力,则下列说法正确的是( )A .v gLB .v 若增大,此时小球所需的向心力将减小C .若物体为轻杆,则当v 逐渐增大时,杆对球的弹力也逐渐增大D .若物体为细绳,则当v gL 0开始逐渐增大 【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】A .若物体为轻杆,通过最高点的速度的最小值为0,物体所受重力和支持力相等,A 错误;B .v 增大,根据2vF m r=向可知向心力将增大,B 错误;C .若物体为轻杆,在最高点重力提供向心力20v mg m L=解得0v gL =当速度小于gL 时,根据牛顿第二定律2v mg N m L-=随着速度v 增大,杆对球的弹力在逐渐减小,C 错误;D .若物体为细绳,速度为gL 时,重力提供向心力,所以绳子拉力为0,当v 由gL 逐渐增大时,根据牛顿第二定律2v T mg m L+=可知绳子对球的拉力从0开始逐渐增大,D 正确。