备战2024新高考物理抢分秘籍09动力学三大观点的综合应用专练及解析

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一、三大观点在力学中的应用
【题型一】动力学三大观点解决多过程问题
【典例1】（2024·四川广安·二模）某同学研究碰撞中动能损失的装置如图所示，竖直面内，光滑弧形轨道AB和光滑圆弧轨道CD分别与水平粗糙轨道BC相切于B和C点，圆弧半径R=0.4m，BC长L=2m。某次实验中，将质量m=0.4kg的滑块从弧形轨道上高h=1.4m处静止释放，滑块第一次通过圆弧轨道最高点Q时对轨道的压力大小F=4N，此后，滑块与水平轨道发生时间极短的碰撞后速度方向竖直向上，进入轨道后滑块刚好能够通过Q点。滑块可视为质点，重力加速度g=10m/s2。求：
（1）滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ：
（2）碰撞过程中动能的损失率η（动能损失量与碰前动能的百分比）。
1．（2024·重庆·模拟预测）如题图所示，一边长为的正方体物块静置于足够长的光滑水平面上，该正方体物块内有一条由半径为四分之一圆弧部分和竖直部分平滑连接组成的细小光滑圆孔道。一质量为的小球（可视为质点），以初速度 沿水平方向进入孔道，恰好能到达孔道最高点。孔道直径略大于小球直径，孔道粗细及空气阻力可不计，重力加速度为g。
（1）求该正方体物块的质量；
（2）求小球离开孔道时的速度；
（3）小球从进入孔道至到达孔道最高点的过程中，小球在孔道圆弧部分运动的时间为，求小球到达孔道最高点时，该正方体物块移动的距离。
2．（2024·贵州安顺·一模）如图，足够长的光滑水平桌面上静止着质量为3m的滑块，滑块右上角边缘AB为半径为R的光滑圆弧，圆弧最低点的切线沿水平方向。在桌子右侧有固定在水平地面上的管形轨道，轨道左端CD段为圆弧，对应的圆心角为60°，CD段圆弧和轨道上其余各竖直圆的半径均为R，小物体在轨道内运动时可以依次经过C、D、E、F、E、G、H、G、Ⅰ、L、I……。某时刻一质量为m的小物体自A点由静止释放，经过一段时间后恰好由C点沿着圆弧CD的切线无碰撞地进入管形轨道。已知轨道CD段和右侧各竖直圆内壁均光滑，轨道的内径相比R忽略不计，小物体与管形轨道各水平部分的动摩擦因数均为0.3，水平部分，重力加速度为g，不计空气阻力，小物体运动过程没有与桌面发生碰撞。
（1）求小物体离开滑块时的速度大小；
（2）求小物体开始释放时的位置距D点的水平距离；
（3）求小物体停止运动时的位置距D点的距离。
3．（2024·安徽·一模）如图，为某轮滑赛道模型，段和段为在B点相切的圆弧，半径分别为，在圆弧的最上端A点的切线水平，为圆弧的圆心，与竖直方向的夹角为；圆弧的最下端C点的切线水平，为圆弧的圆心，C点离地面的高度为R，一个质量为m的滑块从A点（给滑块一个扰动）由静止开始下滑，到B点时对圆弧的压力恰好为零，到C点时对圆弧轨道的压力大小为，重力加速度大小为g，求：
（1）滑块运动到B点时的速度多大；
（2）滑块在段圆弧和在段圆弧上克服摩擦力做的功分别为多少；
（3）若滑块与地面碰撞一瞬间，竖直方向速度减为零，水平方向速度不变，滑块与地面间的动摩擦因数为0.5，则滑块停下时离C点的水平距离为多少。
【典例1】（2024·湖南邵阳·二模）某工厂利用配重物体通过轻质绳及光滑定滑轮协助传送带运煤，如图所示，倾角为θ=30°的传送带以v1=5m/s的速度顺时针转动，配重物体B的质量mB=300kg，离地高度为h=9m。现将质量mA=200kg的装煤麻袋A从传送带底端（与地面等高）无初速度释放，当B落地瞬间绳子断裂，最终A恰好能到达传送带顶端，传送带与麻袋接触面间动摩擦因数（传送带长度L大于9m）。g取10m/s2。求：
（1）释放后瞬间B的加速度大小a1；
（2）该过程中B对A所做的功W；
（3）传送带长度L。
【典例2】（2024·辽宁抚顺·三模）一水平传送带以的速度顺时针匀速转动。将物块A轻轻放到传送带左端，物块A和传送带之间的动摩擦因数。传送带紧挨着右侧水平地面，地面左侧O点放一物块B，物块B与水平面间的动摩擦因数为，且随物体到O点的距离x按图所示规律变化，传送带水平部分长，物块A运动到水平地面上和B发生弹性碰撞，碰后B向右运动挤压弹簧，B向右运动的最大距离为，物块A、B的大小可忽略，质量均为。g取。求：
（1）A碰B前的瞬间A物块的速度；
（2）A碰B后B物块的速度；
（3）弹簧的最大弹性势能。
1．（2024·云南昆明·三模）如图所示，长的水平传送带顺时针以速度匀速转动，可以视作质点且质量的物块A和物块B通过足够长的轻质细线相连（细线跨过光滑定滑轮）。t＝0时刻A物块从水平传送带最左端静止释放，时刻一质量为的子弹以初速度从右向左正对射入物块A并且穿出，穿出速度为，之后每隔就有一颗相同的子弹以相同的速度射入物块A并穿出，子弹射穿物块A时间极短且每次射入点均有细微不同。运动过程中细线OA始终保持水平，细线OB始终保持竖直，且物块B始终没有碰到地面，轻质细线始终未断裂。已知物块A与水平传送带之间动摩擦因数，重力加速度大小g取，求：
（1）从静止释放物块A开始到物块A的速度与传送带速度相同所需的时间；
（2）第一颗子弹射穿物块A后瞬间，物块A的速度大小；
（3）物块A第一次运动到传送带右端所需时间。
2．（2024·浙江温州·二模）一游戏装置竖直截面如图所示，该装置由倾角的固定斜面CD、水平传送带EF、粗糙水平轨道FG、光滑圆弧轨道GPQ、及固定在Q处的弹性挡板组成。斜面CD高度，传送带EF与轨道FG离地面高度均为h，两者长度分别为、，OG、OP分别为圆弧轨道的竖直与水平半径，半径，圆弧PQ所对应的圆心角，轨道各处平滑连接。现将质量的滑块（可视为质点）从斜面底端的弹射器弹出，沿斜面从D点离开时速度大小，恰好无碰撞从E点沿水平方向滑上传送带。当传送带以的速度顺时针转动，滑块恰好能滑至P点。已知滑块与传送带间的动摩擦因数，滑块与挡板碰撞后原速率反向弹回，不计空气阻力。，，求：
（1）高度h；
（2）滑块与水平轨道FG间的动摩擦因数；
（3）滑块最终静止时离G点的距离x；
（4）若传送带速度大小可调，要使滑块与挡板仅碰一次，且始终不脱离轨道，则传送带速度大小v的范围。
【题型三】 动力学三大观点解决滑块板块问题
【典例1】（2024·山西·一模）连续碰撞检测是一项重要的研究性实验，其模型如图所示：光滑水平面上，质量为的小物块A，叠放在质量为、足够长的木板B上，其右侧静置着3个质量均为的小物块。A与B上表面间的动摩擦因数为。时，A以的初速度在B的上表面水平向右滑行，当A与B共速时B恰好与C相碰。此后，每当A、B再次共速时，B又恰好与C发生碰撞直到它们不再相碰为止。已知重力加速度为，所有碰撞均为时间极短的弹性碰撞，求：
（1）时，B（右端）与C的距离；
（2）B与C发生第1、2次碰撞间，B（右端）与C的最大距离。
（3）C的最终速度大小。
【典例2】（2024·新疆·一模）如图（a）所示，将长为的粗糙木板与水平地面成角固定放置，将小物块从木板顶端由静止释放，与底端挡板碰撞后，恰好能回到木板的中点。之后将水板放置在光滑水平地面上，并在木板中点放置与完全相同的小物块，如图（b）所示，物块以的初速度滑上木板，并能够恰好不从木板的左端掉落。已知质量相同，以上过程中所有碰撞时间极短且均为弹性碰撞。，重力加速度，求：
（1）与之间的动摩擦因数；
（2）的大小；
（3）若以的初速度滑上木板，且物块均能从木板左端掉落，则的大小应满足什么条件。
【典例3】（2024·山东枣庄·一模）如图所示，水平地面上P点左侧粗糙、右侧光滑，物块A静止放置在木板B上。物块A、木板B的质量分别为2m、m，A、B之间的动摩擦因数为2μ，木板B与地面之间的动摩擦因数为μ。P点右侧足够远处有N个（）质量均为3m的光滑小球向右沿直线紧密排列，球的直径等于木板的厚度。用带有橡胶指套的手指作用在物块A的上表面并以某一恒定速度向右运动，手指对物块A施加的压力大小为mg，运动时间后手指立即撤离。手指作用过程中，物块A上表面留下的指痕长度恰好等于物块A在木板B上滑过距离的。手指撤离后经过时间，木板B右端刚好抵达P点，且A、B速度恰好相等。木板B完全通过P点的速度为其右端刚到P点时速度的。已知物块A始终未脱离木板B，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，所有碰撞均为弹性碰撞且碰撞时间忽略不计，重力加速度为g。求：
（1）木板B右端刚好到达P点时的速度；
（2）橡胶指套与A上表面间的动摩擦因数μ'；
（3）木板B第一次与球碰撞到第二次与球碰撞的时间间隔；
（4）从物块A开始运动到木板B与最后一个静止小球刚好相碰时的过程中，A、B之间因摩擦产生的热量。
1．（2024·贵州·一模）如图，光滑的四分之一圆弧轨道竖直固定在光滑水平面上，圆心在O点，半径，厚度相同、材质相同、质量均为的木板P、Q静止在光滑水平面上，两者相互接触但没有粘接，木板Q的右端固定有轻质挡板D，圆弧轨道的末端与木板P的上表面相切于木板P的左端，滑块B、C分别放置在木板P、Q的左端，将滑块A从圆弧轨道的顶端由静止释放，滑块滑至底端时与物块B发生碰撞。已知木板P、Q的长度分别为，滑块A的质量为，滑块B的质量为，滑块C的质量为，块A、B、C与木板间的动摩擦因数分别为和，有碰撞均为弹性碰撞且时间很短，滑块均可视为质点，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度g取。
（1）求滑块A、B碰撞后瞬间，各自的速度大小；
（2）求滑块A、B和木板P组成的系统因摩擦而产生的热量；
（3）滑块C是否会从木板Q上滑落？如果不会从木板Q上滑落，最终会与木板Q相对静止在距离挡板D多远的地方？
2．（2024·湖南·二模）如图所示，粗糙水平桌面EF左侧固定一个光滑圆弧轨道QS，其圆心为O，半径为R=0.75m，，S点切线水平，且恰好与放置在桌面上的长木板等高。一小球从P点以初速度水平抛出，恰好从Q点沿切线进入圆弧轨道，在圆弧轨道下端S点与放置在长木板左端的小木块发生弹性正碰，碰撞时间极短。已知小球、木块、长木板质量分别为m、3m、2m，重力加速度为，小球与木块都可以视为质点，木板与桌面都足够长，木块与木板间的动摩擦因数，木板与桌面间的动摩擦因数，sin37°=0.6，求：
（1）小球刚进入圆弧轨道时的速度大小；
（2）木块与小球碰后瞬间的速度大小；
（3）木板在桌面上停下来时左端与S点的距离。
【题型四】 动力学三大观点解决弹簧问题
【典例1】（2024·湖南长沙·一模）可利用如图所示装置测量滑块与某些材料间的动摩擦因数。将原长为L的轻质弹簧放置在光滑水平面AB上，一端固定在A点，另一端与滑块P（可视为质点，质量为m）接触但不连接，AB的长度为（），B端与半径为L的光滑半圆轨道BCD相切，C点与圆心O等高，D点在O点的正上方，是半圆轨道的最高点，用滑块P将弹簧压缩至E点（图中未画出），AE的长度为R，静止释放后，滑块P刚好能到达半圆轨道的最高点D；在水平面AB上铺被测材料薄膜，滑块P仍从E点由静止释放，恰能运动到半圆轨道上的F点，O、F连线与OC的夹角为，重力加速度为g，。
（1）求滑块P与被测材料间的动摩擦因数；
（2）在不撤去被测材料的基础上仅将滑块P换为质量的同种材质的滑块Q，滑块Q最终不与弹簧接触，试判断滑块Q由静止释放后能否压缩弹簧2次。
【典例2】（2024·浙江·二模）物理老师自制了一套游戏装置供同学们一起娱乐和研究，其装置可以简化为如图所示的模型。该模型由同一竖直平面内的水平轨道OA、半径为的半圆单层轨道ABC、半径为的半圆圆管轨道CDE、平台EF和IK、凹槽FGHI组成，且各段各处平滑连接。凹槽里停放着一辆质量为的无动力摆渡车Q并紧靠在竖直侧壁FG处，其长度且上表面与平台EF、IK平齐。水平面OA的左端通过挡板固定一个弹簧，弹簧右端可以通过压缩弹簧发射能看成质点的不同滑块P，弹簧的弹性势能最大能达到。现三位同学小张、小杨、小振分别选择了质量为、、的同种材质滑块P参与游戏，游戏成功的标准是通过弹簧发射出去的滑块能停在平台的目标区JK段。已知凹槽GH段足够长，摆渡车与侧壁IH相撞时会立即停止不动，滑块与摆渡车上表面和平台IK段的动摩擦因数都是，其他所有摩擦都不计，IJ段长度，JK段长度。问：
（1）已知小振同学的滑块以最大弹性势能弹出时都不能进入圆管轨道，求小振同学的滑块经过与圆心等高的B处时对轨道的最大压力；
（2）如果小张同学以的弹性势能将滑块弹出，请根据计算后判断滑块最终停在何处？
（3）如果小杨将滑块弹出后滑块最终能成功地停在目标区JK段，则他发射时的弹性势能应满足什么要求？力学三大观点
对应规律
表达式
适用范围
动力学观点
牛顿第二定律
F合＝ma
恒力作用下的匀变速运动(包括匀变速曲线运动)，涉及时间与运动细节时，一般选用动力学方法解题
匀变速直线运动规律
v＝v0＋at，x＝v0t＋ eq \f(1,2)at2
v2－v eq \\al(2,0)＝2ax等
能量观点
动能定理
W合＝ΔEk
求解功、能和位移时，一般选用动能定理、机械能守恒定律、功能关系或能量守恒定律解题，题目中出现相对位移(摩擦生热)时，优先选用能量守恒定律
机械能守恒定律
Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2
功能关系
WG＝－ΔEp等
能量守恒定律
E1＝E2
动量观点
动量定理
I合＝p′－p
不涉及物体运动过程中的加速度而涉及物体运动时间的问题，特别是对于打击类问题、流体连续作用问题，用动量定理求解
动量守恒定律
p1＋p2＝p1′＋p2′
对碰撞、爆炸、反冲、地面光滑的板—块问题，若只涉及初末速度而不涉及力、时间，用动量守恒定律求解
1．（2024·安徽安庆·二模）如图1所示，质量M = 4kg的长木板放在水平地面上，其右端挡板上固定一劲度系数为k = 200N/m的轻质弹簧，弹簧左端连接物块B，开始弹簧处于原长，物块A位于长木板的左端，A与B的距离L = 0.8m，A、B均可视为质点且与长木板的动摩擦因数均为μ1 = 0.25，给A初速度v0 = 4m/s，A运动一段时间后与B发生碰撞，碰后A的速度为0。已知A的质量m1 = 1kg，B的质量m2 = 2kg，长木板在整个过程中始终保持静止，可认为最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力，已知弹簧的弹性势能表达式，其中x为弹簧的形变量，重力加速度g取10m/s2。求：
（1）A与B碰撞前瞬间A的速率v1和碰后瞬间B的速率v2；
（2）长木板与地面间动摩擦因数μ2的最小值；
（3）如图2所示，把长木板换成相同质量的斜面体，斜面体上表面光滑，斜面倾角θ = 30°，其余条件不变，开始时物块B静止，现让A以v3 = 3m/s的初速度与B发生弹性正碰，斜面体足够长，要使斜面体保持静止，求斜面体与地面间的动摩擦因数μ3至少为多少。