MCAT物理:旋转,圆形和谐波运动

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例子问题

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问题4:向心力和加速度

两辆相同的车,A和B,在相同的表面上行驶。汽车A以匀速在完美的圆形路径上行驶。汽车B沿着一条长而直的道路以恒定的速度行驶。它最好地描述了加速度,而且在这两辆车中?

可能的答案:

和车B的速度方向相同

与车A的速度方向相同;和车B的速度方向相同

并向内径向指向路径的中心;

从路径中心向外径向;

正确答案:

并向内径向指向路径的中心;

解释

做圆周运动的物体必须有向心加速度,朝向其路径的中心,以保持圆周运动。所以朝向汽车A路径的中心。

匀速线性运动的物体加速度为0,所以

一般来说,我们可以认为加速度是物体速度大小或方向的变化。这两辆车的速度大小都没有变化,但是车a的速度方向发生了变化,而车B没有。

例子问题1:向心力和加速度

直径为的自行车轮缘上一点的近似向心加速度是多少如果轮子以每秒8转的速度旋转?

可能的答案:

正确答案:

解释

向心加速度由方程表示:

已知角速度和直径。我们可以很容易地从直径求出半径,用角速度求出线速度。

将角速度转换为适当的单位,方法是将转数转换为弧度。

现在我们可以用半径把角速度转换成线速度。

用半径和线速度根据原方程计算向心加速度。

例子问题1:向心力和加速度

a的向心力是多少以速度作垂直旋转的球在一个字符串?

可能的答案:

正确答案:

解释

向心力由方程表示:

绳子的长度表示要形成的圆的半径。用给定的弦长度作为半径,加上球的质量和速度,来计算向心力。

示例问题7:向心力和加速度

一个2公斤重的物体悬挂在一根绳子上,绳子缠绕在一个无摩擦的滑轮上。滑轮附着在天花板上,质量为0.01kg,半径为0.25m。绳子的另一端连接到一个无质量的悬浮平台上,上面可以放置0.5kg的重物。当系统最初处于平衡状态时,随后将绳子切断到重物上方,然后通过拉动绳子将平台抬升。

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切断质量为2kg的绳子时滑轮的线速度是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

注意,我们被要求线性滑轮的速度,不是角速度。根据牛顿第二定律,我们知道F = ma。另外,在旋转运动中,我们知道.绳子被切断时的力(F)来自于有4个重物的平台。已知滑轮的质量和半径,可以求出线速度:

例8:向心力和加速度

有分量的人坐过山车,总质量是.当过山车进入一个循环时,它的速度是.环的半径为.如果过山车上的平均摩擦力是这个人在环的顶端承受了多少g的力?

可能的答案:

正确答案:

解释

为了计算g,我们需要知道骑手所承受的向心力。为了计算向心力,我们需要知道在环的顶部骑行的速度。为此,我们将使用能量守恒方程:

如果我们设定环的顶部高度为10m,我们可以说没有初始势能。因为我们要求的是最终速度,我们把最终动能重新整理一下

代入这些项的表达式,我们得到:

重新排列最终速度:

我们有所有的值,除了过山车走了多远。它从底部移动到环的顶部,这是圆的周长的一半:

现在我们可以代入我们的值并求解:

现在我们知道了过山车在环顶的速度,我们可以计算出这个人的向心力:

现在我们知道力的单位是牛顿,我们可以把这个值转换成g。

对于这个人:

因此,

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