6.在光滑的水平地面上,以O(shè)點為坐標(biāo)原點、正東方向為x軸正方向、正北方向為y軸正向建立直角坐標(biāo)系.現(xiàn)有一質(zhì)量為2kg的小球靜止于O點,受正東方向的恒力F1=2N作用1s后,撤去F1,施加正北方向的恒力F2=2N作用1s后,撤去F2,施加恒力F3,過1s后物體的速度恰好為零.
求:(1)F3的大小和方向?
(2)3s后速度為零時,物體所在的位置坐標(biāo)x=?y=?

分析 (1)第1s物體沿x軸做勻加速直線運(yùn)動,第2s做類平拋運(yùn)動,第3s做勻減速直線運(yùn)動,根據(jù)牛頓第二定律分別求出F1和F2作用時的加速度,再根據(jù)運(yùn)動學(xué)基本公式求出2s末的速度,從而求出第3s的加速度,再根據(jù)牛頓第二定律求解F3
(3)分三段,分別求出3s內(nèi)物體在x軸方向和y軸方向運(yùn)動的位移,從而求出3s后速度為零時,物體所在的位置坐標(biāo).

解答 解:(1)恒力F1=2N作用時,根據(jù)牛頓第二定律得:${a}_{1}=\frac{{F}_{1}}{m}=\frac{2}{2}=1m/{s}^{2}$,
1s末的速度v1=a1t1=1×1=1m/s,方向水平向東,
撤去F1,施加正北方向的恒力F2=2N時,物體做類平拋運(yùn)動,
加速度${a}_{2}=\frac{{F}_{2}}{m}=\frac{2}{2}=1m/{s}^{2}$,方向水平向北,
1s后正比方向的速度vy=a2t=1×1=1m/s
合速度${v}_{2}=\sqrt{{{v}_{1}}^{2}+{{v}_{y}}^{2}}=\sqrt{{1}^{2}+{1}^{2}}=\sqrt{2}m/s$,
設(shè)速度方向與x軸成θ角,則有tanθ=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{1}}=1$
解得:θ=45°
施加恒力F3,過1s后物體的速度恰好為零,則物體做勻減速直線運(yùn)動,加速度方向與速度方向相反,
所以F3的方向與x的負(fù)半軸成45°角,
F3作用時的加速度大小${a}_{3}=\frac{△v}{t}=\frac{\sqrt{2}}{1}=\sqrt{2}m/{s}^{2}$,
根據(jù)牛頓第二定律得:F3=ma3=2$\sqrt{2}$N
(2)第1s內(nèi)物體的位移${x}_{1}=\frac{1}{2}{a}_{1}{{t}_{1}}^{2}=\frac{1}{2}×1×1=0.5m$,
第2s內(nèi)物體沿x軸的位移x2=v1t2=1×1=1m,沿y軸的位移${y}_{1}=\frac{1}{2}{a}_{2}{{t}_{2}}^{2}=\frac{1}{2}×1×1=0.5m$,
第3s內(nèi)的位移s=$\frac{{v}_{2}}{2}{t}_{3}=\frac{\sqrt{2}}{2}m$,則第3s內(nèi)物體沿x軸的位移${x}_{3}=\frac{\sqrt{2}}{2}s=0.5m$,沿y軸的位移${y}_{2}=\frac{\sqrt{2}}{2}s=0.5m$,
則3s后速度為零時,物體所在的位置坐標(biāo)x=x1+x2+x3=0.5+1+0.5=2m,y=y1+y2=0.5+0.5=1m
答:(1)F3的大小為2$\sqrt{2}$N,方向與x的負(fù)半軸成45°角;
(2)3s后速度為零時,物體所在的位置坐標(biāo)x=2m,y=1m.

點評 本題主要考查了牛頓第二定律以及運(yùn)動學(xué)基本公式的直接應(yīng)用,解題的關(guān)鍵是分析清楚物體運(yùn)動的過程,特別是第2s內(nèi)物體做平拋運(yùn)動,難度適中.

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