Question

4．風(fēng)洞實驗室能產(chǎn)生大小和方向均可改變的風(fēng)力．如圖所示，在風(fēng)洞實驗室中有足夠大的光滑水平面，在水平面上建立xOy直角坐標系．質(zhì)量m=0.5kg的小球以初速度v₀=0.40m/s從O點沿x軸正方向運動，在0～2.0s內(nèi)受到一個沿y軸正方向、大小F₁=0.20N的風(fēng)力作用；小球運動2.0s后風(fēng)力方向變?yōu)閥軸負方向、大小變?yōu)镕₂=0.10N（圖中未畫出）．試求：（結(jié)果請保留兩位有效數(shù)字）
（1）2.0s末小球在Y方向的速度大小和2.0s內(nèi)運動的位移大��？
（2）風(fēng)力F₂作用多長時間，小球的速度變?yōu)榕c初速度相同？
（3）小球回到X軸時的動能？

Answer 1

分析 （1）小球受重力、支持力和風(fēng)的推力，在x方向不受外力，做勻速直線運動，在y方向受到恒定的力，故y方向做勻變速直線運動，根據(jù)運動的合成與分解的知識進行分析計算；
（2）當y方向的分速度減為零時，小球的速度變?yōu)榕c初速度相同，根據(jù)運動學(xué)公式列式求解即可；
（3）根據(jù)運動學(xué)公式和牛頓第二定律先分析清楚y方向的運動規(guī)律，然后根據(jù)運動學(xué)公式求出回到x軸時物體的速度，得到動能．

解答 解：（1）設(shè)在0～2.0s內(nèi)小球運動的加速度為a₁，則F₁=ma₁ 
2.0s末小球在y方向的速度 v₁=a₁t₁                                           
代入得  v₁=0.8m/s                                          
沿x軸方向運動的位移 x₁=v₀t₁                                           
沿y軸方向運動的位移 y₁=$\frac{1}{2}{a}_{1}{t}_{1}^{2}$   
2.0s內(nèi)運動的位移 s₁=$\sqrt{{x}_{1}^{2}+{y}_{1}^{2}}$=0.8$\sqrt{2}$≈1.1m  
（2）設(shè)2.0s后小球運動的加速度為a₂，F(xiàn)2的作用時間為t₂時小球的速度變?yōu)榕c初速度相同．    
則有 F₂=ma₂，v₁=a₂t₂                                           
代入數(shù)據(jù)解得 t₂=4s    
（3）設(shè)小球回到x軸上時的動能為E_k，由動能定理有
  F₁y₁+F₂y₂=E_k-$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
代入數(shù)據(jù)解得  E_k=0.28J
答：
（1）2.0s末小球在Y方向的速度大小為0.8m/s，2.0s內(nèi)運動的位移大小為1.1m．
（2）風(fēng)力F₂作用4s時間，小球的速度變?yōu)榕c初速度相同．
（3）小球回到X軸時的動能是0.28J．

點評 本題關(guān)鍵要將小球的運動沿著x、y方向正交分解，x方向做勻速直線運動，y方向做勻變速直線運動，然后根據(jù)運動學(xué)公式進行列式求解．