2021年高考物理真题及模拟题专题汇编04牛顿运动定律的应用（附解析）

专题04牛顿运动定律的应用选择题1.(2021·浙江卷)2021年5月15日，天问一号着陆器在成功着陆火星表面的过程中，经大气层的减速，速度从减为；打开降落伞后，经过速度进一步减为；与降落伞分离，打开发动机减速后处于悬停状态；经过对着陆点的探测后平稳着陆。若打开降落伞至分离前的运动可视为竖直向下运动，则着陆器(　　)A.打开降落伞前，只受到气体阻力的作用B.打开降落伞至分离前，受到的合力方向竖直向上C.打开降落伞至分离前，只受到浮力和气体阻力的作用D.悬停状态中，发动机喷火的反作用力与气体阻力是平衡力答案B解析：打开降落伞至分离前做减速运动，则其加速度方向与运动方向相反，加速度方向向上，则合力方向竖直向上，B正确；故选B。2.(2021·全国乙卷)水平地面上有一质量为的长木板，木板的左明上有一质量为的物块，如图(a)所示。用水平向右的拉力F作用在物块上，F随时间t的变化关系如图(b)所示，其中、分别为、时刻F的大小。木板的加速度随时间t的变化关系如图(c)所示。已知木板与地面间的动摩擦因数为，物块与木板间的动摩擦因数为，假设最大静摩擦力均与相应的滑动摩擦力相等，重力加速度大小为g。则(　　)18 A.B.C.D.时间段物块与木板加速度相等答案BCD解析：图(c)可知，t2滑块与木板刚要发生相对滑动，以整体为对象，根据牛顿第二定律，有以木板为对象，根据牛顿第二定律，有解得故BC正确；图(c)可知，0~t2这段时间滑块与木板相对静止，所以有相同的加速度，故D正确。故选BCD。3.(2021·全国乙卷)水平桌面上，一质量为m的物体在水平恒力F拉动下从静止开始运动，物体通过的路程等于时，速度的大小为，此时撤去F，物体继续滑行的路程后停止运动，重力加速度大小为g，则(　　)A.在此过程中F所做的功为B.在此过中F的冲量大小等于18 C.物体与桌面间的动摩擦因数等于D.F的大小等于物体所受滑动摩擦力大小的2倍答案BC解析：外力撤去前，由牛顿第二定律可知①由速度位移公式有②外力撤去后，由牛顿第二定律可知③由速度位移公式有④由①②③④可得，水平恒力动摩擦因数滑动摩擦力可知F的大小等于物体所受滑动摩擦力大小的3倍，故C正确，D错误；由平均速度公式可知，外力F作用时间在此过程中，F的冲量大小是故B正确。故选BC。4.(2021·全国甲卷)由相同材料的导线绕成边长相同的甲、乙两个正方形闭合线圈，两线圈的质量相等，但所用导线的横截面积不同，甲线圈的匝数是乙的2倍。现两线圈在竖直平面内从同一高度同时由静止开始下落，一段时间后进入一方向垂直于纸面的匀强磁场区域，磁场的上边界水平，如图所示。不计空气阻力，已知下落过程中线圈始终平行于纸面，上、下边保持水平。在线圈下边进入磁场后且上边进入磁场前，可能出现的是(　　)18 A.甲和乙都加速运动B.甲和乙都减速运动C.甲加速运动，乙减速运动D.甲减速运动，乙加速运动答案AB解析：设线圈到磁场的高度为h，线圈的边长为l，则线圈下边刚进入磁场时，有感应电动势为两线圈材料相等(设密度为)，质量相同(设为)，则设材料的电阻率为，则线圈电阻感应电流为安培力为由牛顿第二定律有联立解得加速度和线圈的匝数、横截面积无关，则甲和乙进入磁场时，具有相同的加速度。当时，甲和乙都加速运动，当时，甲和乙都减速运动，当时都匀速。故选AB。5.(2021·湖南卷)如图(a)，质量分别为mA、mB的A、B两物体用轻弹簧连接构成一个系统，外力作用在A上，系统静止在光滑水平面上(B靠墙面)，此时弹簧形变量为。撤去外力并开始计时，A、B两物体运动的图像如图(b)所示，表示0到时间内的18 图线与坐标轴所围面积大小，、分别表示到时间内A、B的图线与坐标轴所围面积大小。A在时刻的速度为。下列说法正确的是(　　)A.0到时间内，墙对B的冲量等于mAv0B.mA>mBC.B运动后，弹簧最大形变量等于xD.答案ABD解析：由于在0~t1时间内，物体B静止，则对B受力分析有F墙=F弹则墙对B的冲量大小等于弹簧对B的冲量大小，而弹簧既作用于B也作用于A，则可将研究对象转为A，撤去F后A只受弹力作用，则根据动量定理有I=mAv0(方向向右)则墙对B的冲量与弹簧对A的冲量大小相等、方向相同，A正确；由a—t图可知t1后弹簧被拉伸，在t2时刻弹簧的拉伸量达到最大，根据牛顿第二定律有F弹=mAaA=mBaB由图可知aB>aA则mB<mAB正确；由a—t图可知t1后B脱离墙壁，且弹簧被拉伸，在t1—t2时间内AB组成的系统动量守恒，且在t2时刻弹簧的拉伸量达到最大，A、B共速，由a—t图像的面积为Dv，在t2时刻AB的速度分别为，A、B共速，则D正确。故选ABD。18 6.(2021春·浙江卷)如图所示，同学们坐在相同的轮胎上，从倾角相同的平直雪道先后由同高度静止滑下，各轮胎与雪道间的动摩擦因数均相同，不计空气阻力。雪道上的同学们(　　)A.沿雪道做匀速直线运动B.下滑过程中机械能均守恒C.前后间的距离随时间不断增大D.所受重力沿雪道向下的分力相同【答案】C【解析】A．同学坐在轮胎上从静止开始沿雪道下滑，做加速运动，受力分析如图根据牛顿第二定律可知加速度又因为相同，所以同学们做匀加速直线运动，A错误；B．下滑过程中摩擦力做负功，雪道上的同学们机械能减小，B错误；C．根据匀加速直线运动位移与时间的关系，可知同学们前后距离随着时间不断增大，也可以从速度的角度分析，同学们做匀加速直线运动，随着时间的增加，速度越来越大，相等时时间内通过的位移越来越大，所以同学们前后距离随着时间不断增大，C正确；D．各同学质量可能不同，所以重力沿雪道向下的分力也可能不相同，D错误。故选C。7．(2021·北京海淀一模)如图9甲所示，质量为0.4kg的物块在水平力F作用下可沿竖直墙面滑动，物块与竖直墙面间的动摩擦因数为0.5，力F随时间变化的关系如图9乙所示。若t=0时物块的速度为0，设物块所受最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取。下列图像中，能正确反映物块所受摩擦力f大小与时间t变化关系的是18 【答案】C【解析】由图可知，刚开始压力比较小，摩擦力小，物块的重力大于摩擦力，物块向下加速运动，待压力增大，则摩擦力也增大，当到F×μ=mg时，即F=8N，f=4N时，摩擦力与重力相平衡，此时物块的速度最大，当压力再增大，摩擦力大于物重时，物块的合力向上，物块做减速向下的运动；那么物块何时静止呢？对物块根据动量定理，设从开始经过时间t物块的速度变为0，则重力的冲量与摩擦力的冲量之和等于物块动量的变化量，即mgt+If=0-0，再由图发现，选项C中的摩擦力的冲量If，即图像与时间轴围成的面积刚好等于重力的冲量mgt=4N×4s，故t=4s，物块在4s时速度为0，以后物块就停止在墙面上了，摩擦力属于静摩擦力了，则根据平衡的知识，静摩擦力等于物块的重力4N，所以选项C正确。8．(2021·北京海淀一模)如图5所示，小明在体验蹦极运动时，把一端固定的长弹性绳绑在踝关节处，从高处由静止落下。将小明的蹦极过程近似为在竖直方向的运动，在运动过程中，把小明视作质点，不计空气阻力。下列判断中正确的是A．下落到弹性绳刚好被拉直时，小明的下落速度最大B．从开始到下落速度最大，小明动能的增加量小于其重力势能的减少量C．从开始到下落至最低点的过程，小明的机械能守恒D．从开始到下落至最低点，小明重力势能的减少量大于弹性绳弹性势能的增加量18 【答案】B【解析】小明下落时速度最大的位置是当他受到的弹力与重力相等的时候，故不是弹性绳刚好被拉直的时候，因为此时弹性绳还没有形变，弹力为0，而不是在刚好拉直的偏下的位置，故选项A错误；从开始下落到速度最大时，利用动能定理可知，重力做的功与弹性绳弹力做的功之和等于动能的增加量，即mgh-W弹=△Ek，故动能的增加量小于其重力势能的减少量，选项B正确；从开始到下落至最低点的过程中，弹性绳与小明整体的机械能守恒，而小明的机械能则不守恒，选项C错误；从开始到下落至最低点的过程中，再次根据动能定理，开始与最后的小明的动能都是0，所以合外力做的功也是0，即重力做的功与弹性绳弹力做的功大小之和为0，即小明重力势能的减少量等于弹性绳弹性势能的增加量，选项D错误。9.(2021·河北唐山一模)如图所示，在平直公路上行驶的箱式货车内，用轻绳AO、BO在O点悬挂质量为5kg的重物，轻绳AO、BO与车顶部夹角分别为30°、60°。在汽车加速行驶过程中，为保持重物悬挂在O点位置不动，重力加速度为g，箱式货车的最大加速度(　　)A.B.C.D.【答案】B【解析】对小球受力分析可得联立解得整理得当FA=0时，a取得最大值18 故选B。10.(2021·河北唐山一模)如图所示，ABCD为倾角为30°的正方形斜面，其中AB与底边DC平行、BC与AD平行。斜面上一质量为1kg的物块，在斜面内施加平行于AB向左的拉力F，物块恰好沿斜面对角线BD匀速下滑。下列叙述正确的(g=10m/s2)(　　)A.物块受到摩擦力的方向平行于AD沿斜面向上B.水平向左的外力大小等于5NC.滑动摩擦力的大小等于5ND.物块与斜面间的动摩擦因数为【答案】D【解析】A．物块受到摩擦力的方向沿着DB斜向上，A错误；B．水平向左的外力大小等于，B错误；C．滑动摩擦力的大小等于，C错误；D．物块与斜面间的动摩擦因数为D正确。故选D。11.(2021·上海普陀一模)如图甲所示，一足够长的传送带倾斜放置，倾角为θ，以恒定速率v=4m/s顺时针转动。一煤块以初速度v0=12m/s从A端冲上传送带，煤块的速度随时间变化的图像如图乙所示，取g=10m/s2，则下列说法正确的是(　　)18 A.倾斜传送带与水平方向夹角的正切值tan=0.75：B.煤块与传送带间的动摩擦因数μ=0.5C.煤块从冲上传送带到返回A端所用的时间为4sD.煤块在传送带上留下的痕迹长为m【答案】AD【解析】AB.由v－t图像得0~1s内煤块的加速度大小方向沿传送带向下；1~2s内煤块的加速度大小方向沿传送带向下。0~1s，对煤块由牛顿第二定律得，对煤块由牛顿第二定律得Mgsinθ－μmgcosθ=ma2解得tanθ=0.75，μ=0.25故A正确，B错误；18 C.v－t图像图线与时间轴所围面积表示位移大小，所以煤块上滑总位移大小为x=10m，由运动学公式得下滑时间为所以煤块从冲上传送带到返回A端所用的时间为，故C错误；D.0~1s内煤块比传送带多走4m，划痕长4m，1~2s内传送带比煤块多走2m，划痕还是4m。内传送带向上运动，煤块向下运动，划痕总长为，故D正确。故选AD。12.(2021·河北石家庄一模)如图所示。用水平力F拉着三个相同的物块A、B、C在光滑水平面上一起运动。A、B间和B、C间两段绳的拉力TA和TB的大小分别为(　　)A.B.C.D.【答案】BD【解析】对ABC的整体：对BC的整体：对C：故选BD。13.(2021·河北石家庄一模)如图所示。质量为3kg的物体A静止在竖直的轻弹簧上，质量为2kg的物体B用细线悬挂，A、B间相互接触但无压力，重力加速度g=10m/s2。某时刻将细线剪断，则细线剪断瞬间(　　)18 A.物体A的加速度为零B.弹簧弹力大小为30NC.物体B的加速度大小为6m/s2D.物体B对物体A的压力大小为12N【答案】BD【解析】ABC．细线剪断瞬间，弹簧的弹力F仍然不变，有对AB整体，它们具有共同的加速度，由牛顿第二定律可知代入数据解得故AC错误，B正确；D．设物体B对物体A的压力大小为N，对物体A，由牛顿第二定律可知解得故D正确。故选BD。计算题14.(2021春·浙江卷)如图所示，质量m=2kg的滑块以v0=16m/s的初速度沿倾角θ=37°的斜面上滑，经t=2s滑行到最高点。然后，滑块返回到出发点。已知sin37°=0.6，cos37°=0.8，求滑块(1)最大位移值x；(2)与斜面间的动摩擦因数；(3)从最高点返回到出发点的过程中重力的平均功率P。【答案】(1)16m；(2)0.25；(3)67.9W18 【解析】(1)小车向上做匀减速直线运动，有得(2)加速度上滑过程得(3)下滑过程由运动学公式重力的平均功率15.(2021·河北卷)如图，一滑雪道由和两段滑道组成，其中段倾角为，段水平，段和段由一小段光滑圆弧连接，一个质量为的背包在滑道顶端A处由静止滑下，若后质量为的滑雪者从顶端以的初速度、的加速度匀加速追赶，恰好在坡底光滑圆弧的水平处追上背包并立即将其拎起，背包与滑道的动摩擦因数为，重力加速度取，，，忽略空气阻力及拎包过程中滑雪者与背包的重心变化，求：(1)滑道段的长度；(2)滑雪者拎起背包时这一瞬间的速度。答案：(1)；(2)解析：(1)设斜面长度为，背包质量为，在斜面上滑行的加速度为，由牛顿第二定律有18 解得滑雪者质量为，初速度为，加速度为，在斜面上滑行时间为，落后时间，则背包的滑行时间为，由运动学公式得联立解得或故可得(2)背包和滑雪者到达水平轨道时的速度为、，有滑雪者拎起背包的过程，系统在光滑水平面上外力为零，动量守恒，设共同速度为，有解得16.(2021·浙江卷)机动车礼让行人是一种文明行为。如图所示，质量的汽车以的速度在水平路面上匀速行驶，在距离斑马线处，驾驶员发现小朋友排着长的队伍从斑马线一端开始通过，立即刹车，最终恰好停在斑马线前。假设汽车在刹车过程中所受阻力不变，且忽略驾驶员反应时间。(1)求开始刹车到汽车停止所用的时间和所受阻力的大小；(2)若路面宽，小朋友行走的速度，求汽车在斑马线前等待小朋友全部通过所需的时间；(3)假设驾驶员以超速行驶，在距离斑马线处立即刹车，求汽车到斑马线时的速度。18 答案：(1)，；(2)20s；(3)解析：(1)根据平均速度解得刹车时间刹车加速度根据牛顿第二定律解得(2)小朋友过时间等待时间(3)根据解得17.(2021·河北石家庄一模)如图所示，质量M=2kg的小车静止在光滑水平面上。上表面离地高度h=0.45m。右侧很远处有一个和小车等高、上表面光滑的障碍物A(厚度可忽略)，BC是以恒定速率v0=12m/s顺时针转动的传送带，B点位于水平面上。有一可视为质点、质量m=1kg的物块，以v1=6m/s的速度从左端冲上小车，同时对小车施加一水平向右的恒力，当物块滑到小车最右端时，二者恰好共速，这时撤掉恒力，然后小车撞到障碍物A后立即停止运动，物块沿水平方向飞出，在B点刚好无碰撞地切入传送带，并沿着传送带下滑。已知物块与小车间的动摩擦因数，与传送带间的动摩擦因数，传送带长度s=23m，与水平面的夹角θ=37°，重力加速度g=10m/s2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。求：(1)物块运动到B点时的速度大小；(2)由于摩擦物块与传送带间产生热量Q；18 (3)对小车施加的恒力F的大小。【答案】(1)5m/s；(2)6J；(3)6N【解析】(1)小车撞到障碍物A后物块做平抛运动，有物块到达B点时竖直分速度大小为vy=gt速度与水平方向的夹角为37°，则物块到达B点的速度v=vy/sin37°解得v=5m/s(2)物块滑上传送带后先做匀加速运动，设加速度为a1，据牛顿第二定律得mg(sin37+μ2cos37°)=ma1物块速度从v增大到传送带速度的时间为位移以上式子解得x1=8.5m共速后，由于mgsin37°>μ2mgcos37°，所以物块继续匀加速运动，加速度大小为a2=g(sin37°－μ2cos37°)根据运动学公式得s-x1=v0t2+解得t2=1s(另一负值舍去)物块在传送带上由于摩擦产生的内能为Q=μ2mgcos37°·[(v0t1－x1)+(s－x1－v0t2)]代入数据解得Q=6J(3)物块离开小车时的速度设物块在小车上滑行的加速度大小为am，则有μ1mg=mam设物块在小车上滑行的时间为t，则有v′=v0－amt设小车在此过程中的加速度大小为aM，则有v′=aMt对小车，由牛顿第二定律得F+μ1mg=MaM18 以上式子解得F=6N18.(2021·云南曲靖一模)如图所示，长为L=3m，质量为M=3kg的平板车在粗糙水平面上向右滑行，当其速度为v=4m/s时，在其右端轻轻放上一个质量为m=1kg的滑块，已知滑块与平板车间的动摩擦因数为μ1=0.1，平板车与地面间的动摩擦因数为μ2=0.2。求：(1)滑块与平板车取得相同的速度前各自的加速度；(2)从开始至最终停止，滑块与平板车间因摩擦产生的热量Q；(3)从开始至最终停止，滑块、平板车和地面组成的系统增加的内能U。【答案】(1)1m/s2，3m/s2；(2)；(3)24J【解析】(1)开始阶段，对滑块有解得对滑板有解得(2)经过t1时间速度相等，则解得此时共同速度滑块与平板车取得相同速度前，滑块位移滑板位移第一阶段相对位移此后，如果以共同速度减速，则加速度则滑块受摩擦力18 故此后两个物体做加速度不同的减速运动，滑块相对平板向前运动；对滑块，有解得对滑板，有解得滑板速度先减为零，位移滑块速度减为零的位移故第二阶段相对位移滑块与平板车间因摩擦增加的内能(3)根据能量守恒定律，滑块、平板车和地面组成系统增加的内能18