- 机械能守恒定律
- 共8461题
“头脑风暴法”是上个世纪风靡美国的一种培养学生创新思维能力的方法,某学校的一个“头脑风暴实验研究小组”,以“保护鸡蛋”为题,要求制作一个装置,让鸡蛋从高处落到地面而不被摔坏;鸡蛋要 不被摔坏,直接撞击地面的速度最大不能超过1.5 m/s。现有一位同学设计了如图所示的一个装置来保护鸡蛋,用A、B两块较粗糙的夹板夹住鸡蛋,鸡蛋夹放的位置离装置下端的距离s=0.45 m,A、B夹板与鸡蛋之间的摩擦力都为鸡蛋重力的5倍,现将该装置从距地面某一高处自由落下,装置碰地后速度为0,且保持竖直不反弹,不计装置与地面作用时间。g=10 m/s2。求:
(1)如果没有保护,鸡蛋自由下落而不被摔坏的最大高度h;
(2)如果使用该装置保护,刚开始下落时装置的末端离地面的最大高度H?(计算结果小数点后保留两位数字)
正确答案
解:(1)没有保护时,鸡蛋自由下落而不被摔坏,由机械能守恒定律得
①
②
(2)在装置开始下落到着地过程,对鸡蛋应用机械能守恒定律得 ③
在装置着地到鸡蛋撞地过程,对鸡蛋应用动能定理得: ④
f=5mg ⑤
联立③④⑤得:H=4.16 m
如图所示,长为R的轻绳,上端固定在O点,下端连一小球。小球接近地面,处于静止状态。现给小球一沿水平方向的初速度v0,小球开始在竖直平面内做圆周运动。设小球到达最高点时绳突然断开。已知小球最后落在离小球最初位置2R的地面上。求:
(1)小球在最高点的速度v;
(2)小球的初速度v0;
(3)小球在最低点时球对绳的拉力;
(4)如果细绳转过60°角时突然断开,则小球上升到最高点时的速度多大?(小球的质量为m,重力加速度为g)。
正确答案
解:(1)在水平方向有2R=vt
在竖直方向有2R=gt2
解得v=
(2)根据机械能守恒定律有mv02-
mv2=mg2R
解得v0=
(3)对小球分析有F-mg=m
解得F=6mg
由牛顿第三定律可知:小球对绳子的拉力为6mg,方向向下
(4)设绳断时的速度为v1,有mgR(1-cos60°)=mv02-
mv12
设小球在最高点时的速度为v2,有v2=v1cos60°
v2=
如图所示,两个质量各为mA和mB的小球A和B,分别系在一条跨过定滑轮的柔软轻绳的两端,不计滑轮轴的摩擦、滑轮的质量和空气阻力,已知mA>mB,开始时,A、B两球以等大的初速度V0分别竖直向下和竖直向上运动,当A物体下降距离为h时,A、B速度大小都为Vt,试利用牛顿运动定律及匀变速直线运动规律,证明在此运动过程中,A、B组成的系统机械能守恒。
正确答案
解:设A、B两球组成整体加速度大小a, 对A、B两球组成的系统,在沿着绳子方向上,由牛顿第二定律得:
(mA-mB)g=(mA+mB)a ①
对于A球,由匀变速直线运动位移公式有:
h=(Vt2-V02)/2a ②
在此过程中,A、B组成的系统的总的重力势能减少量为△Ep=(mA-mB)gh ③
A、B组成的系统的总动能增加量为△Ek=(mA+mB)(Vt2-V02)/2 ④
由①~④解得:△Ep+△Ep=0
即A、B组成的系统的总机械能守恒
如图所示,质量m=2kg的小物块从倾角θ=37°的光滑斜面上的A点由静止开始下滑,经过B点后进入粗糙水平面,已知AB长度为3m,斜面末端B处与粗糙水平面平滑连接.试求:
(1)小物块滑到B点时的速度大小.
(2)若小物块从A点开始运动到C点停下,一共经历时间t=2.5s,求BC的距离.
(3)上问中,小物块与水平面的动摩擦因数μ多大?
(4)若在小物块上始终施加一个水平向左的恒力F,小物块从A点由静止出发,沿ABC路径运动到C点左侧3.1m处的D点停下.求F的大小.(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
(1)根据机械能守恒得:
mgsABsin37°=mvB2
解得:vB==
m/s=6m/s;
(2)物块在斜面上的加速度为:a1=gsinθ=6m/s2,
在斜面上有:sAB=a1t2,
代入数据解得:t1=1s.
物块在BC段的运动时间为:t2=t-t1=1.5s
BC段的位移为:sBC=(vB+0)t2=
×6×1.5m=4.5m
(3)在水平面上,有:0-vB=a2t2,
解得:a2==-4m/s2.
根据牛顿第二定律有:-μmg=ma2
代入数据解得:μ=0.4.
(4)从A到D的过程,根据动能定理得:
mgsABsinθ+F(sBD+sABcosθ)-μmgsBD=0
代入数据解得:F=2.48N.
答:(1)小物块滑到B点时的速度大小为6m/s;
(2)BC的距离为4.5m;
(3)小物块与水平面的动摩擦因数为0.4;
(4)F的大小为2.48N.
一劲度系数为k的轻弹簧竖直放置,下端固定在水平地面上.将一质量为2m的物体A放置弹簧上端,A物体静止时弹簧长度为L1,将A物体向下按到弹簧长度为L2,由静止将A物体释放,A物体恰能离开弹簧.将物体A换成质量为m的物体B,并将B物体向下按到弹簧长度为L2处,将B物体由静止释放,求B物体运动过程中离水平地面的最大高度.(已知重力加速度为g)
正确答案
物体A静止时,设弹簧的行变量为x,则
2mg=kx
物体A由弹簧长度为L2处开始运动到恰能离开弹簧,设此过程中弹簧减少的弹性势能为△Ep,由机械能守恒定律得
2mg(L1-L2+x)=△Ep
A物体做简谐运动,故:L1-L2=x
物体B由弹簧长度为L2处开始运动到离开弹簧时速度为v,由机械能守恒定律得
mg(L1-L2+x)+mv2=△Ep
物体B离开弹簧后做竖直上抛运动,其离开弹簧的最大高度为
h=
则物体B离水平地面的最大距离为
H=(L1+x)+h=2L1-L2+=4L1-3L2
答:B物体运动过程中离水平地面的最大高度为4L1-3L2.
如图所示,光滑的水平面连接一个竖直平面内的半圆形光滑轨道,其半径为0.50 m。小物体A(质量为m)以v=15 m/s的速度与物体B(质量为M)发生正碰后,以v1=5.0 m/s的速度沿原路返回,求:要使物体B碰撞后恰能沿半圆形轨道运动到最高点,两物体质量之比m/M是多少?(g取10 m/s2)
正确答案
解:要使B恰好运动到最高点,需满足 ①
对B:由机械能守恒定律,得 ②
由①②得:vB=5 m/s
对A、B由动量守恒定律得:mv=MvB-mv1所以
如图所示,长为R的轻绳,上端固定在O点,下端连接一只小球。小球接近地面,处于静止状态。现给小球一沿水平方向的初速度,小球开始在竖直平面内做圆周运动。设小球到达最高点时绳突然断开,已知小球最后落在离小球最初位置4R的地面上,重力加速度为g。试求:(图中所标v0的数值未知)
(1)绳突然断开时小球的速度;
(2)小球刚开始运动时,对绳的拉力。
正确答案
解:(1)设绳断后小球以速度v1平抛
竖直方向上:
水平方向上:
解得
(2)小球从最低点到最高点过程,小球机械能守恒(选地面为零势能面)
合力提供向心力有:
解得
如图甲所示,在同一竖直平面内的两正对的相同半圆光滑轨道相隔一定的距离,虚线沿竖直方向,一小球能在其间运动,今在最高点与最低点各放一个压力传感器,测试小球对轨道的压力,并通过计算机显示出来,当两个半圆形轨道间距离x变化时,测得两点压力差与距离x的图像如图乙所示,取g=10m/s2,不计空气阻力,求:
(1)小球的质量为多少?
(2)若小球在最低点B的速度为20m/s,为使小球能沿轨道逆时针运动起来,x的最大值为多少?
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)设轨道半径为R,取最低点为零势能面,由机械能守恒定律:
(1)
对B点: (2)
对A点: (3)
由(1)(2)(3)式得:两点的压力差: (4)
由图象的截距得 ,得
(5)
(2)因为图线的斜率 所以
(6) 1分
在A点不脱离的条件为: (7) 1分
由(1)、(6)、(7)式得: (8) 1分
点评:本题学生明确小球在做竖直方向的圆周运动,会分析其在最高点和最低点的向心力,清楚小球能做完整的圆周运动所满足的速度条件。
在“验证机械能守恒定律”的实验中,选出一条纸带如图所示.其中O点为起始点,A、B、C为从合适位置开始选取的三个点,打点计时器通一50Hz的交流电,用最小刻度为mm的刻度尺,测得OA=11.13cm,OB=17.69cm,OC=25.9cm.记录的这三个数据中不符合有效数字要求的应写成______ cm.在记数点A和B之间、B和C之间还各有一个点未画出.重锤的质量是0.5kg.根据以上数据,打B点时,重锤的重力势能比开始减少了______J,这时它的动能是______J.(g=9.8 m/s2,结果取三位有效数字)故得出实验结论为:______.
正确答案
最小刻度为mm,读数要有估计值,所以要估读一位,所以25.9cm不符合要求,应写成25.90cm;
重力势能减小量△Ep=mghOB=0.5×9.8×0.1769J=0.867J.
匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度,因此有:
vB==
=1.846m/s
△Ek=mvB2=0.852J.
由实验数据可知,在实验误差范围内机械能守恒
故答案为:25.90 0.867 0.852 在实验误差范围内机械能守恒
如图10所示,一质量M=0.8kg的小物块,用长l=0.8m的细绳悬挂在天花板土,处于静止状态.一质量m=0.2kg的橡皮泥粘性小球以速度v0=l0m/s水平射向物块,并与物块粘在一起,小球与物块相互作用时间极短可以忽略,不计空气阻力,重力加速度g取10m/s2.求:
(1)小球粘在物块上的瞬间,小球和物块共同速度的大小;
(2)小球和物块摆动过程中所能达到的最大高度;
(3)若使物块摆动升高0.8m,讨论只改变小球质量或速度的操作方法.
正确答案
(1)因为小球与物块相互作用的时间极短,所以小球与物块组成的系统动量守恒.
mv0=(M+m)v
解得v=2.0m/s.
(2)小球和物块将以v为初速度向右摆动,摆动的过程中只有重力做功,所以机械能守恒.设它们能达到的最大高度为h,根据机械能守恒定律:(m+M)v2=(M+m)gh
解得h=0.2m.
(3)①若只改变小球的质量使其变为m′,小球向右摆动的最大高度为H=0.8m.
则(M+m′)v12=(M+m′)gH
解得v1=4.0m/s.
小球和物块相互作用的过程中动量守恒,m′v0=(M+m′)v1
解得m′=kg=0.53kg.
②若只改变小球的速度使其变为v′小球向右摆动的最大高度为H=0.8m.
则:(M+m)v22=(M+m)gH,
解得v2=4m/s.
小球和物块相互作用的过程中动量守恒,mv′=(M+m)v2
解得v′=20m/s.
答:(1)小球粘在物块上的瞬间,小球和物块共同速度的大小为2.0m/s.
(2)小球和物块摆动过程中所能达到的最大高度我0.2m.
(3)若使物块摆动升高0.8m,将小球质量变为0.53kg,或将小球的速度变为20m/s.
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