- 机械能守恒定律
- 共8461题
湖南省电视台“智勇大冲关”游乐节目中,选手需要借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上,小明和小阳观看后对此进行了讨论.如图所示,他们将选手简化为质量m=60kg的质点,选手抓住绳子末端由静止开始摆动,此时绳与竖直方向夹角α=53°,绳长l=2m的悬挂点O距水面的高度为H=3m.不考虑空气阻力和绳的质量,浮台露出水面的高度不计,水足够深.取g=10m/s2(sin53°=0.8,cos53°=0.6).求:
(1)选手摆到最低点时对绳拉力的大小?
(2)选手摆到右边最高点时松手,选手将做什么运动?设水对选手的平均浮力F=800N,平均阻力F=700N,求选手落入水中的深度d;
(3)若要求选手摆到最低点时松手,且运动到浮台处离岸水平距离最大,则选手应将手握住绳子上离O点多长处?
正确答案
解析
解:(1)选手摆到最低点的过程中,机械能守恒,由机械能守恒定律得:
mgl(1-cosα)=mv2,
解得:v==
=4m/s;
在最低点,由牛顿第二定律得:F-mg=m,
代入数据解得:F=1080N
由牛顿第三定律可知,人对绳子的拉力:F′=F=1080N;
(2)选手摆到右边最高点时松手,选手将做自由落体运动,对整个过程,由动能定理得:
mg(H-lcosα+d)-(F1+F2)d=0
解得:d=1.2m
(3)选手从最低点松手后开始做平抛运动
在水平方向:x=vt,
竖直方向:H-l=gt2,
由第1题有:v=
联立得:x=2
根据数学知识可知当l=H-l时,x有最大值,则此时l==1.5m
答:(1)选手摆到最低点时对绳拉力的大小是1080N.
(2)选手摆到右边最高点时松手,选手将做自由落体运动,选手落入水中的深度d是1.2m;
(3)若要求选手摆到最低点时松手,且运动到浮台处离岸水平距离最大,则选手应将手握住绳子上离O点1.5m处.
“水流星”是一种常见的杂技项目,该运动可以简化为轻绳一端系着小球在竖直平面内的圆周运动模型.已知绳长为l,重力加速度为g,则( )
正确答案
解析
解:A、小球在最低点时.重力与拉力的合力提供向心力,所以小球受到的拉力一定大于重力,小球处于超重状态.故A错误;
B、若球恰好经过最高点P,速度取最小值,故只受重力,重力提供向心力:mg=,得:v=
;v>
时,小球才能通过最高点P.故B错误;
C、若球恰好经过最高点P,根据机械能守恒得:,所以:
所以当v0>时,小球才能通过最高点P.故C错误;
D、当v0<时,设小球到达最高点时的速度为0,则:
,所以:h<l,可知小球不能到达与O点等高的N点,细绳始终处于绷紧状态.故D正确.
故选:D
如图是为了检验某种防护罩承受冲击力的装置,M是半径为R=1.0m的固定于竖直平面内的
光滑圆弧轨道,轨道上端切线水平.N为待检验的固定曲面,该曲面在竖直面内的截面为半径r=
m的
圆弧,圆弧下端切线水平且圆心恰好位于M轨道的上端点P.M的下端相切处放置竖直向上的弹簧枪,可发射速度不同的质量m=0.1kg的小钢珠.假设某次发射的钢珠沿轨道恰好能过P点,水平飞出后落到曲面N的某一点上,取g=10m/s2.求:(计算结果可以用根号表示)
(1)钢珠从圆弧轨道M飞出瞬间的速度为多大?
(2)发射该钢球前,弹簧的弹性势能EP多大?
(3)钢珠从P点飞出至落到圆弧N上所用的时间是多少?
正确答案
解析
解:(1)设钢球在轨道最高点:
解得:m/s
(2)设弹簧的弹性势能为EP,全程用机械能守恒定律得:=1.5J
(3)钢珠从P点飞出后,做平抛运动x=vt
又根据几何关系x2+y2=r2
联立得t=s
答:(1)钢珠从圆弧轨道M飞出瞬间的速度为;
(2)发射该钢球前,弹簧的弹性势能EP为1.5J;
(3)钢珠从P点飞出至落到圆弧N上所用的时间是s
劲度系数为K的轻弹簧竖直悬挂,在其下端挂一质量为m的砝码,然后从弹簧长度为原长处由静止释放砝码,此后( )
正确答案
解析
解:A、由静止释放砝码后,砝码在重力和弹簧的弹力作用下将做简谐振动,故A正确.
B、设砝码的最大速度为vm.砝码的最大速度时,弹簧弹力大小等于砝码的重力,则得:mg=kx,得弹簧伸长的长度 x=.
根据系统的机械能守恒得:mgx=+
解得:vm==g
,故B错误.
C、当砝码下落到速度为零时,弹簧伸长最大,弹性势能最大,根据对称性可知,此时弹簧伸出量为:
x′=2x=2,
根据牛顿第二定律得:a==
=
=g,所以弹性势能最大时小球加速度大小为g,故C错误.
D、当砝码下落到速度为零时,弹簧伸长最大,弹性势能最大,砝码从静止开始下落到速度为零时,根据动能定理研究得:mg•2+W弹=0-0=0
解得:W弹=-
弹簧弹力做功量度弹性势能的变化,所以最大的弹性势能为,故D正确.
故选:AD.
竖直轻弹簧下端固定在水平地面上,质量为m的小球,从轻弹簧的正上方某一高处自由落下,并将弹簧压缩,直到小球的速度变为零.对于小球、轻弹簧和地球组成的系统,在小球开始与弹簧接触到小球速度变为零的过程中,有( )
正确答案
解析
解:因为整个过程中忽略阻力,只有重力和弹力做功,满足系统机械能守恒,但对单个物体小球机械能不守恒,
根据能量守恒得小球的机械能减小量等于弹簧弹性势能的增加量,小球接触弹簧至弹簧压缩最低点的过程中弹簧的形变量越来越大,弹性势能也越来越大,所以小球的动能和重力势能的总和越来越小,
根据能量守恒得小球的动能和弹性势能的总和变化量等于小球的重力势能减小变化量.
小球的重力势能减小,所以小球的动能和弹性势能的总和越来越大.
故选A.
如图所示,固定的倾斜光滑杆上套有一个质量为m的圆环,圆环与竖直放置的轻质弹簧一端相连,弹簧的另一端固定在地面上的A点,弹簧处于原长h时,让圆环由静止开始沿杆滑下,滑到杆的底端时速度恰好为零.若以地面为参考面,则在圆环下滑过程中( )
正确答案
解析
解:
A、弹簧的弹力对圆环做功,圆环的机械能不守恒,不可能保持mgh不变,故A错误;
B、弹簧的弹性势能随弹簧的形变量的增大而增大,由图知弹簧先缩短后再恢复原长最后伸长,故弹簧的弹性势能先增大再减小后增大才对,故B错误;
C、整个过程中,圆环的重力势能减小mgh,根据系统的机械能守恒知,弹性势能增加mgh,故弹簧弹力做的功为-mgh,故C正确;
D、整个系统机械能守恒,即弹簧的弹性势能、圆环的动能和重力势能之和保持不变,故弹簧的弹性势能最大时,圆环的动能和重力势能之和最小,故D正确;
故选:CD.
如图所示,轻绳长为L一端系一质量为m的小球,另一端系在O点,小球由轻绳与水平方向成30°角时自由释放.求:小球到达竖直位置时,绳中张力为多大?
正确答案
解析
解:设小球自由落体到轻绳与水平方向成30°时为B点,速度为v,此时沿绳方向的速度损失,小球以v1接着作圆周运动,运动至最低点为C点,此时速度为v2,绳中张力为F,则有:mgL=,
解得:
拉紧细线后瞬间,小球的速度设为v2,根据运动的分解得:
B至C过程,机械能守恒:mv22=
mv12+
mgL
向心力公式:F-mg=
F=3.5mg
答:小球到达竖直位置时,绳中张力为3.5mg.
如图在光滑轨道oa的a端分别连接半径相同的光滑圆弧,其中图A是圆弧轨道ab,b点切线水平;图B是
圆弧轨道ac,c点切线竖直;图C是
光滑圆管道,中心线的最高点d切线水平,管内径略比小球直径大:图D是小于
的圆弧轨道,a点切线水平,o、b、d在同一水平线上,所有轨道都在同一竖直平面内,一个可以看成质点的小球分别从o点静止下滑,不计任何能量损失,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:设小球开始下滑的位置离a的竖直高度为h.
A、B:A图中,小球到达最高点的速度不为零,根据机械能守恒定律得,mgh+0=mgh′+,则h′<h.所以不能到达与O点同一高度.
B图中,小球离开轨道做竖直上抛运动,运动到最高点速度为零,根据机械能守恒定律得,mgh+0=mgh′+0.则h′=h.即能到达与O点同一高度,
C图中,小球到达最高点的速度可以为零,根据机械能守恒定律得,mgh+0=mgh′+0.则h′=h.即能到达与O点同一高度,故A错误,B正确.
C、图C中的小球到达和O点等高的d点时,根据机械能守恒定律可知到达d点时的速度为0,由内轨道的压力等于小球重力,故C错误.
D、小球离开轨道后做斜抛运动,水平方向做匀速直线运动,运动到最高点时在水平方向上有速度.故D错误.
故选:B.
质量为 m 的物体,由静止开始下落h,由于空气阻力,下落的加速度为g,在物体下落的过程中,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、重力对物体所做的功等于物体重力势能的减少量,重力对物体做多少功,则物体重力势能的减少多少.由题重力做功为mgh,则的重力势能减少mgh.故A正确;
B、物体的合力做正功为mah=mgh,则物体的动能增加为
mgh,故B正确;
C、根据牛顿第二定律得:mg-f=ma,得f=mg,物体下落过程中,受到阻力为-
mgh,物体克服阻力所做的功
mgh,故C正确;
D、物体下落h高度,重力势能减小mgh,动能增加为mgh,则机械能减小
mgh.或因物体克服阻力所做的功
mgh,则机械能减小
mgh.故D错误.
故选ABC
如图所示,ABC和DEF是在同一竖直平面内的两条光滑轨道,其中ABC的末端水平,DEF是半径为r=0.4m的半圆形轨道,其直径DF沿竖直方向,C、D可看作重合.现有一质量m=0.1kg,可视为质点的小球从轨道ABC上的A点由静止释放,若小球经C处后恰能沿轨道DEF做圆周运动,(取g=10m/s2),求:
(1)小球释放点A距C点的竖直高度H;
(2)小球到达F点时对轨道的压力是多大?
正确答案
解析
解:(1)小球从ABC轨道下滑,机械能守恒,设到达C点时的速度大小为v.则:
mgH=
小球恰能在竖直平面内做圆周运动,在圆周最高点必须满足:mg=m
联立上两式解得:H=0.2m
(2)小球由A到F,由机械能守恒有:mg(H+2r)=
在F点,对小球,由牛顿第二定律:F-mg=m
解得:F=6N
由牛顿第三定律得,小球对轨道的压力为F′=F=6N
答:
(1)小球释放点A距C点的竖直高度H是0.2m;
(2)小球到达F点时对轨道的压力是6N.
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