内容正文:
第1讲 牛顿第一定律 牛顿第二定律
第三章 运动和力的关系
基础知识 自主梳理
核心知识 典例研析
分层训练 巩固提高
考点一 对牛顿第一定律的理解
考点二 对牛顿第二定律的理解及简单应用
考点三 超重与失重问题
内容索引
考点四 力学单位制
基础知识 自主梳理
一
3
一、牛顿第一定律 惯性
1.牛顿第一定律
(1)内容:一切物体总保持____________状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。
(2)意义:①揭示了物体的固有属性:一切物体都有________,因此牛顿第一定律又叫________定律;
②揭示了运动与力的关系:力不是________物体运动状态的原因,而是改变物体运动状态的原因,即力是产生________的原因。
匀速直线运动
惯性
惯性
维持
加速度
2.惯性
(1)定义:物体具有保持原来__________________状态或静止状态的性质。
(2)量度:质量是惯性大小的唯一量度。质量大的物体惯性____,质量小的物体惯性____。
(3)普遍性:惯性是物体的固有属性,一切物体都具有惯性,与物体的运动情况和受力情况________。
匀速直线运动
大
小
无关
3.伽利略的理想实验
(1)特点:实践操作(实验)+逻辑推理(数学演算)。
(2)作用:提出力不是维持物体运动状态的原因。
伽利略是物理理想实验的开拓者。理想实验是人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的实验,可以完美地解释物理学规律或理论。
二、牛顿第二定律 力学单位制
1.牛顿第二定律
(1)内容:物体加速度的大小跟它受到的作用力成________,跟它的质量成________,加速度的方向跟作用力的方向________。
(2)表达式:F=______。
正比
反比
相同
ma
(3)适用范围
①牛顿第二定律只适用于惯性参考系,即相对于地面________或做_______________的参考系。
②牛顿第二定律只适用于______物体(相对于分子、原子等)、______运动(远小于光速)的情况。
静止
匀速直线运动
宏观
低速
2.力学单位制
(1)单位制:________单位和________单位一起组成了单位制。
(2)基本单位:基本量的单位。国际单位制中基本量共七个,其中力学有三个,是________、________、________,单位分别是____、________、____。
(3)导出单位:由基本量根据__________推导出来的其他物理量的单位。
基本
导出
长度
质量
时间
米
千克
秒
物理关系
三、超重与失重
1.实重
物体实际所受的重力,与物体的运动状态________,在地球上的同一位置是________的。
无关
不变
2.超重、失重和完全失重的比较
超重现象 失重现象 完全失重
概念 物体对支持物的压力
(或对悬挂物的拉力)
______物体所受重力的现象 物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)
______物体所受重力的现象 物体对支持物的压力
(或对悬挂物的拉力)
________的现象
产生条件 物体的加速度方向________ 物体的加速度方向________ 物体的加速度方向______,大小为a=g
大于
小于
等于零
向上
向下
向下
超重现象 失重现象 完全失重
原理方程 F-mg=ma
F=m(g+a) mg-F=ma
F=m(g-a) mg-F=mg F=0
运动状态 加速上升或________ 加速下降或________ 无阻力的抛体运动;绕地球的匀速圆周运动
减速下降
减速上升
二
核心知识 典例研析
13
考点一 对牛顿第一定律的理解
基础考点
1.对牛顿第一定律的理解
(1)揭示了物体的惯性:不受力的作用时,一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态。
(2)揭示了力的作用对运动的影响:力是改变物体运动状态的原因。
2.对惯性的认识
惯性是物体保持原来运动状态的性质,与物体是否受力、是否运动及所处的位置无关。物体的惯性只与其质量有关,物体的质量越大,其惯性越大。
3.惯性的两种表现形式
(1)保持“原状”:物体在不受力或所受合力为零时,惯性表现为使物体保持原来的运动状态(静止或匀速直线运动)。
(2)反抗改变:物体受到外力时,惯性表现为运动状态改变的难易程度。惯性越大,物体的运动状态越难以被改变。
[典例1] (2023·四川成都石室中学高三诊断)下列说法正确的是( )
A.牛顿第一定律不能用实验直接验证
B.在水平面上滑动的木块最终停下来,是因为没有外力维持木块的运动
C.物体运动时受到惯性力的作用
D.人走在松软的土地上加速下陷时,人对地面的压力大于地面对人的支持力
A
牛顿第一定律所描述的状态是一种理想状态,它是利用逻辑思维进行分析的产物,不可能用实验直接验证,故A正确;在水平面上滑动的木块最终停下来,是由于摩擦力的作用改变了木块的运动状
态,故B错误;物体不会受到惯性力作用,惯性力实际不存在,故C错误;人对地面的压力和地面对人的支持力是一对作用力和反作用力,总是等大反向,与运动状态无关,故D错误。
[典例2] (2023·重庆八中高三月考)图甲和图乙是人踩香蕉皮摔倒和一名骑行的人因自行车前轮突然陷入一较深的水坑而倒地的图片。下面是从物理学的角度去解释这两种情境,其中正确的是( )
A.甲图中踩了香蕉皮摔倒是因为人
的惯性变小了
B.乙图中人和车摔倒是因为雨天路面太滑
C.踩香蕉皮摔倒是因为下半身速度大于上半身的速度
D.自行车行驶速度越大,其惯性越大,所以造成人车倒地现象
C
题图甲中踩了香蕉皮摔倒是因为人的脚受到的摩擦力突然变小,脚不能立刻停下来,脚向前滑,由于惯性,上半身还要保持原来的运动状态,从而使得人下半身速度大于上半身的速度,所以人会向后倾倒,而不是人惯性变小了的原因,故A错误,C正确;题图乙中人和车摔倒是因为车的前轮陷入水坑后前轮立刻停止,但人与车的后半部分由于惯性仍保持原来的运动状态,因此人和车将向前倾倒,而不是因为雨天路面太滑,故B错误;惯性只与物体的质量有
关,与速度大小没有关系,故D错误。
考点二 对牛顿第二定律的理解及简单应用
能力考点
1.牛顿第二定律的几个性质
(1)同体性:式中合力F、质量m、加速度a对应同一物体。
(2)独立性:作用在物体上的每一个力都可以产生一个加速度,物体的加速度是所有力产生的加速度的矢量和。
(3)瞬时性:加速度与合力F是瞬时对应关系,同时产生,同时变化,同时消失。
(4)矢量性:加速度方向与合力的方向相同,表达式是矢量式。
2.合力、加速度、速度间的决定关系
(1)物体所受合力的方向决定了其加速度的方向。只要合力不为零,不管速度多大,物体都有加速度。
(2)合力与速度同向时,物体做加速运动;合力与速度反向时,物体做减速运动;合力与速度不共线时,物体做曲线运动,但合力与速度无必然联系。
考向1 对牛顿第二定律的理解
[典例3] (2023·吉林四平检测)关于物体的运动状态和所受合力的关系,以下说法正确的是( )
A.物体所受合力为零时,物体一定处于静止状态
B.只有合力发生变化时,物体的运动状态才会发生变化
C.物体所受合力不为零时,物体的速度一定不为零
D.物体所受的合力不变且不为零时,物体的运动状态一定变化
D
物体所受合力为零,则物体处于平衡状态,因此物体处于静止或匀速直线运动状态,A错误;物体所受合力变化时,物体的运动状态会发生变化,物体受恒定的合力时,物体的运动状态也会发生变化,B错误;物体所受合力不为零时,物体的加速度一定不是零,但物体的速度某时刻可能是零,C错误;物体所受的合力不变且不为零,由牛顿第二定律可知,物体一定有加速度,物体的运动状态一定变化,D正确。
考向2 牛顿第二定律的简单应用
[典例4] 北京时间2023年10月26日11时14分,神舟十七号载人飞船发射取得圆满成功,顺利将三名航天员送入太空并进驻空间站。在空间站中,如需测量一个物体的质量,需要运用一些特殊方法:如图所示,先对质量为m1=1.0 kg的标准物体P施加一水平恒力F,测得其在1 s内的速度变化量大小是10 m/s,然后将标准物体与待测物体Q紧靠在一起,施加同一水平恒力F,测得它们1 s内速度变化量大小是2 m/s,则待测物体Q的质量m2为( )
A.3.0 kg B.4.0 kg
C.5.0 kg D.6.0 kg
B
考向3 瞬时加速度问题
[典例5] (多选)(2023·山东邹平检测)如图所示,轻绳一端连接一质量为m的物体,另一端固定在左侧竖直墙壁上,轻绳与竖直墙壁间夹角为45°。物体右侧与一轻弹簧相连,轻弹簧另一端固定于右侧竖直墙壁上。此时物体对光滑地面的压力恰好为零,重力加速度g取10 m/s2。下列说法正确的是( )
A.此时物体一定受四个力作用
B.若突然撤去弹簧,则物体将向左加速运动
C.突然剪断轻绳的瞬间,物体的加速度大小为10 m/s2
D.若突然剪断轻绳,此时物体受三个力作用
CD
由题意可知,此时物体对光滑地面的压力恰好是零,对物体受力分析,物体受到重力、轻绳的拉力和轻弹簧的弹力共三个力作用,A错误;若突然撤去弹簧,则轻绳的拉力发生突变,物体受到重力、地面的支持力共两个力作用,处于静止状态,B错误;在没有剪断轻绳前,对物体,由共点力平衡条件可得F弹=mgtan 45°=mg,突然剪断轻绳的瞬间,弹簧弹力不会突变,物体受到重力、轻弹簧的弹力和地面的支持力三个力的作用,由牛顿第二定律可得F弹=ma,
解得a=10 m/s2,C、D正确。
[典例6] (2023·重庆第三十七中学高三月考)如图所示,物块1的质量为3m,物块2的质量为m,两者通过弹簧相连,整个系统置于水平放置的光滑木板上,并处于静止状态。现将木板沿水平方向突然抽出,设抽出后的瞬间,物块1、2的加速度大小分别为a1、a2,重力加速度大小为g,则有( )
A.a1=0,a2=g B.a1=g,a2=g
C.a1=0,a2=4g D.a1=g,a2=4g
C
方法技巧
瞬时加速度问题的两种常见模型
考点三 超重与失重问题
基础考点
1.对超重和失重现象的理解
(1)发生超重或失重现象时,物体所受的重力没有变化,只是压力(或拉力)变大或变小了。
(2)在完全失重的状态下,一切由重力产生的物理现象都会完全消失,如天平失效、浸在水中的物体不再受浮力作用、液柱不再产生压强等。
(3)即使物体的加速度不是沿竖直方向,但只要其加速度在竖直方向上有分量,物体就会处于超重或失重状态。
2.判断超重和失重的方法
从受力的角度判断 当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时,物体处于超重状态;小于重力时,物体处于失重状态;等于零时,物体处于完全失重状态
从加速度的角度判断 当物体具有向上的加速度时,物体处于超重状态;具有向下的加速度时,物体处于失重状态;向下的加速度等于重力加速度时,物体处于完全失重状态
从速度变化的角度判断 当物体向上加速或向下减速时,物体处于超重状态;当物体向下加速或向上减速时,物体处于失重状态
考向1 对超、失重现象的理解
[典例7] (多选)蹦床运动员从空中落到床面上,运动员从接触床面到下降至最低点为第一过程,从最低点至上升到离开床面为第二过程,运动员( )
A.在第一过程中始终处于失重状态
B.在第二过程中始终处于超重状态
C.在第一过程中先处于失重状态,后处于超重状态
D.在第二过程中先处于超重状态,后处于失重状态
CD
运动员刚接触床面时,重力大于弹力,运动员向下做加速运动,运动员处于失重状态;当弹力增大到等于重力时运动员速度最大;继续下降,弹力大于重力,做减速运动,运动员处于超重状态,即在第一过程中运动员先处于失重状态,后处于超重状态,A错误,C正确;在第二过程中运动员先向上做加速运动,处于超重状态,后做减速运动,处于失重状态,B错误,D正确。
考向2 超、失重现象的图像问题
[典例8] (多选)(2023·四川成都七中高三诊断)如图甲中的塔吊是现代工地必不可少的建筑设备,图乙为建筑材料被吊车竖直提升过程的运动图像(竖直向上为正方向)。根据图像,下列判断正确的是( )
A.在0~10 s钢索最容易发生断裂
B.30~36 s材料处于超重状态
C.36~46 s材料处于失重状态
D.46 s时材料离地面的距离最大
AC
在0~10 s过程中,材料向上加速,处于超重状态,钢索的拉力大于重力,在10~30 s 的过程中,材料做匀速直线运动,重力等于钢索的拉力,30~36 s的过程中,材料向上减速,处于失重状态,36~46 s的过程中,材料向下加速,处于失重状态,钢索的拉力小于重力,故在0~10 s钢索最容易发生断裂,故A、C正确,B错误;由题图可知36 s后材料开始向下运动,36 s时材料离地
面的距离最大,故D错误。
考点四 力学单位制
基础考点
国际单位制的基本单位
物理量名称 物理量符号 单位名称 单位符号
长度 l 米 m
质量 m 千克(公斤) kg
时间 t 秒 s
电流 I 安[培] A
热力学温度 T 开[尔文] K
物质的量 n,(ν) 摩[尔] mol
发光强度(高中阶段不涉及) I,(Iv) 坎[德拉] cd
[典例9] 航天员王亚平在天宫一号目标飞行器里成功进行了我国首次太空授课。授课中的一个实验展示了失重状态下液滴的表面张力引起的效应。在视频中可观察到漂浮的液滴处于相互垂直的两个椭球之间不断变化的周期性“脉动”中。假设液滴处于完全失重状态,液滴的上述“脉动”可视为液滴形状的周期性微小变化(振动),如图所示。已知液滴振动的频率表达式为f=krαρβσγ,其中k为一个无单位的比例系数,r为液滴半径,ρ为液体密度,σ为液体表面张力系数(其单位为N/m),α、β、γ是相应的待定常数。对于这几个待定常数的大小,
下列表达式中可能正确的是( )
三
分层训练 巩固提高
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【A级 夯实基础】
1.关于惯性,下列说法正确的是( )
A.抛出去的标枪靠惯性向远处运动
B.完全失重时物体的惯性将消失
C.球由静止释放后加速下降,说明力改变了惯性
D.物体沿水平面滑动,速度越大,滑行的时间越长,说明速度大,惯性就大
A
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质量是惯性的唯一量度,抛出去的标枪靠惯性向远处运动,选项A正确;完全失重时物体的惯性不会消失,选项B错误;球由静止释放后加速下落,说明力改变了物体的运动状态,惯性不变,选项C错误;物体沿水平面滑动,速度越大,滑行的时间越长,惯性不变,选项D错误。
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2.(2023·浙江6月卷)在足球运动中,足球入网如图所示,则( )
A.踢香蕉球时足球可视为质点
B.足球在飞行和触网时惯性不变
C.足球在飞行时受到脚的作用力和重力
D.触网时足球对网的力大于网对足球的力
B
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香蕉球要考虑足球的转动,此时足球不可以视为质点,A错;质量是惯性的唯一量度,质量不变,惯性不变,B对;足球在飞行时,已经脱离脚,所以不受脚的作用力,C错;足球对网的力与网对足球的力是一对相互作用力,大小相等,D错。
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3.(2023·四川遂宁高三质检)如图所示,在一辆表面光滑且足够长的小车上,有质量分别为m1、m2的两个小球(m1>m2),原来随小车一起做匀速直线运动,当小车突然停止时,如不考虑其他阻力,则两个小球( )
A.一定相碰
B.一定不相碰
C.不一定相碰
D.无法确定,因为不知小车的运动方向
B
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小车停止前,两个小球和小车一起做匀速直线运动,并且两个小球和小车具有共同的速度,当小车突然停止时,由于小球在小车光滑表面上运动,因此两个小球由于惯性,还要保持原来大小不变的速度做匀速直线运动,又两个小球的速度相同,相同时间内通过的位移相同,因此两个小球间的距离不变,一定不会相碰,故B正确,A、C、D错误。
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4.(多选)(2023·四川成都高三诊断)如图所示,劲度系数不同的两个轻质弹簧a、b悬挂了质量为m1和m2两块橡皮泥,整个装置保持静止时,弹簧a的长度与弹簧b的长度相等。已知m2=3m1,重力加速度为g,则( )
A.弹簧a的弹力比弹簧b的弹力大
B.在质量为m1的橡皮泥上取质量为Δm的橡皮泥粘在质量
为m2的橡皮泥处,弹簧a长度变短,弹簧b长度变长
C.剪断弹簧a瞬间,质量为m1和m2的橡皮泥的加速度大小
都为g,方向竖直向下
D.剪断弹簧b瞬间,质量为m1的橡皮泥加速度大小为3g,方向竖直向上,质量为m2的橡皮泥加速度大小为g,方向竖直向下
AD
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两橡皮泥都静止处于平衡状态,由平衡条件得Fa=(m1+m2)g
=4m1g,Fb=m2g=3m1g,由此可知弹簧a的弹力比弹簧b的弹
力大,故A正确。在质量为m1的橡皮泥上取质量为Δm的橡皮
泥粘在质量为m2的橡皮泥处,由平衡条件得Fa=(m1-Δm+m2
+Δm)g=4m1g,由此可知弹簧a的弹力不变,长度不变,故B错误。剪断弹簧a瞬间,弹簧a的弹力消失,弹簧b的弹力不变,对质量为m1的橡皮泥,由牛顿第二定律可得m1g+Fb=m1a1,解得a1=4g,方向竖直向下,质量为m2的橡皮泥受力不变,合力为零,加速度为零,故C错误。
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剪断弹簧b瞬间,弹簧a的弹力不变,弹簧b的弹力消失,对质量为m1的橡皮泥,由牛顿第二定律可得Fa-m1g=m1a1′,解得a1′=3g,方向竖直向上;对质量为m2的橡皮泥,由牛顿第二定律可得m2g=m2a2′,解得a2′=g,方向竖直向下,故D正确。
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C
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6.(多选)(2023·重庆高三月考)某同学站在力传感器上连续完成多次下蹲起立。某时刻作为计时起点,传感器与计算机连接,经计算机处理后得到力传感器示数F随时间t变化的情况,如图所示。已知该同学质量m=60 kg,重力加速度g取10 m/s2。下列说法正确的是( )
A.0~4 s完成了一次下蹲过程
B.0~8 s该同学向下的最大加速度约为4.7 m/s2
C.0~8 s该同学向上的最大加速度约为5.3 m/s2
D.1.8 s该同学向下速度达到最大
AC
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人下蹲动作分别有失重和超重两个过程,先是加速下降失重,有F<mg=600 N,到达一个最大速度后再减速下降超重,有F>mg=600 N,故0~4 s完成了一次下蹲过程,故A正确;由图像知,在1.8 s时F最小,该同学向下的加速度最大,还在向下加速,此时有mg-Fmin=mam,对应图像有Fmin=280 N,代入解得am≈5.3 m/s2,故B、D错误;0~8 s内当F最大时,该同学向上的加速度最大,有Fmax-mg=mam′,对应图像有Fmax=920 N,代入解得am′≈5.3 m/s2,故C正确。
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7.如图所示,质量为2 kg的物体B和质量为1 kg的物体C用轻弹簧连接并竖直地静置于水平地面上。再将一个质量为3 kg的物体A轻放在B上,放上的一瞬间,物体B的加速度大小为(g取10 m/s2)( )
A.0 B.15 m/s2
C.6 m/s2 D.5 m/s2
C
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开始时弹簧的弹力等于B的重力,即F=mBg。放上A的瞬间,弹簧弹力不变,对A、B整体分析,根据牛顿第二定律得(mA+mB)g-F=(mA+mB)a,解得a=6 m/s2,故选项C正确。
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8.(多选)(2023·广西柳州模拟)某跳伞运动员从悬停在空中的直升机上由静止自由下落(空气阻力不计)。下落一段距离后打开降落伞,降落伞所受阻力Ff与速度v成正比,即Ff=kv,k为阻力系数。从打开降落伞开始计时,运动员的速度随时间变化的图像如图所示。已知人和降落伞总质量为100 kg,g取10 m/s2,则下列说法中正确的是( )
A.运动员自由下落的距离为10 m
B.打开降落伞瞬间运动员的加速度大小a=30 m/s2
C.从打开降落伞到速度为5 m/s过程中运动员处于失重状态
D.阻力系数k=200 N·s/m
BD
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由题可知打开降落伞时速度为20 m/s,根据v2=2gh,代入数据可得h=20 m,故A错误;从打开降落伞到速度为5 m/s过程中,阻力一直大于重力,加速度方向向上,运动员处于超重状态,故C错误;当速度为5 m/s时,运动员进入匀速运动状态,根据平衡方程mg=kv可得k=200 N·s/m,故D正确;打开降落伞时的速度为20 m/s,结合牛顿第二定律可得kv′-mg=ma,解得a=30 m/s2,故B正确。
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D
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10.(多选)(2023·福建厦门月考)两小球A、B先后用弹簧和轻杆相连,放在光滑斜面上静止。挡板C与斜面垂直,弹簧、轻杆均与斜面平行,如图甲、乙所示。A、B质量相等,重力加速度为g,斜面的倾角为θ。在突然撤去挡板的瞬间( )
A.两图中两球加速度均为g sin θ
B.两图中A球的加速度均为零
C.图甲中B球的加速度为2g sin θ
D.图乙中B球的加速度为g sin θ
CD
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撤去挡板前,对整体分析,挡板对B球的弹力大小均为2mg sin θ,因弹簧弹力不能突变,而杆的弹力会突变,所以撤去挡板瞬间,题图甲中A球所受合力为零,加速度为零,B球所受合力为2mg sin θ,加速度为2g sin θ;题图乙中杆的弹力突变为零,A、B球所受合力均为mg sin θ,加速度均为g sin θ,故C、D正确,A、B错误。
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11.最近科学家对微重力环境下了一个比较科学的定义:微重力环境是指在重力的作用下,系统的表观重量远小于其实际重量的环境。产生微重力环境最常用的方法有4种:落塔、飞机、火箭和航天器。如图所示为中国科学院微重力落塔与落仓,在落仓开始下落到停止运动的过程中,能够产生3.26 s时长的微重力环境。根据提供的信息,以下说法正确的是( )
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A.在微重力环境中,落仓中的体验者几乎不会受到重力的作用
B.要形成微重力环境,落仓要以非常接近重力加速度g的加速度下落
C.落仓下落过程,落仓内的体验者一直处于失重状态
D.落仓速度最大时,落仓内体验者的加速度也最大
答案:B
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在微重力环境中,落仓中的体验者仍会受到重力的作用,几乎所有的重力提供体验者运动的加速度,故A错误;在微重力环境中,落仓对体验者的支持力几乎为零,可知落仓下落的加速度非常接近重力加速度g,故B正确;落仓下落过程,加速度先向下后向上,落仓内的体验者先处于失重状态后处于超重状态,故C错误;落仓速度最大时,其加速度为零,故D错误。
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12.(2023·四川大学附属中学检测)如图所示,两个质量均为m的金属小球拴在轻质橡皮筋的两端,橡皮筋的中点固定在纸盒底部的正中间。小球放在纸盒口边上,现让纸盒从一定高度自由下落,小球被橡皮筋拉回盒中并能发生碰撞。不计空气阻力,则释放的瞬间( )
A.橡皮筋的弹力为0
B.小球加速度大小等于重力加速度g
C.纸盒加速度大小小于重力加速度g
D.橡皮筋对纸盒作用力大小等于2mg
D
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13.(2023·湖北荆州模拟)如图所示,一木块紧靠长方体形状的空铁箱后壁(未粘连),在水平拉力F的作用下一起向右做直线运动。现逐渐减小水平拉力,当拉力减小到F时木块恰能和铁箱保持相对静止。继续减小拉力,木块始终没有与后壁分离。从拉力开始减小到木块未落到箱底前,下列说法正确的是( )
A.铁箱对木块的支持力先不变后减小
B.铁箱对木块的摩擦力先不变后减小
C.铁箱对木块的摩擦力一直减小
D.铁箱可能先做加速运动后做减速运动
B
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木块始终没有与后壁分离,则木块和空铁箱水平方向的加速度相同,水平拉力F逐渐减小,则整体加速度a逐渐减小,空铁箱对木块的支持力FN=m木块a逐渐减小,故A错误;木块与空铁箱相对静止时,摩擦力等于重力,不变,当木块与空铁箱相对滑动时,空铁箱对木块的摩擦力Ff=μFN=μm木块a逐渐减小,故B正确,C错误;空铁箱不可能做减速运动,如果做减速运动,则木块也要做减速运动而需要水平向左的力,而铁箱给木块的弹力水平向右,因此不会做减速运动,
故D错误。
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