- 机械能守恒定律
- 共8461题
如图所示,半径为r,质量不计的圆盘盘面与地面相垂直,圆心处有一个垂直盘面的光滑水平固定轴O,在盘的最右边缘固定一个质量为m的小球A,在O点的正下方离O点处固定一个质量也为m的小球B.放开盘让其自由转动,问:
(1)当A球转到最低点时,两小球的重力势能之和减少了多少?
(2)A球转到最低点时的线速度是多少?
(3)在转动过程中半径OA向左偏离竖直方向的最大角度是多少?
正确答案
(1)当A球转到最低点时,A的重力势能减小mgr,B的重力势能增加mg,所以两小球的重力势能之和减少为△EP=mgr-mg
=
mgr
(2)取圆盘最低处的水平面势能为零,
由机械能守恒定律可得:mgr=mg+
m(ωr)2+
m(ω×
)2,
又 vA=ωR,
解得vA=
(3)设OA向左偏离竖直方向的最大角度是θ,
由系统机械能守恒定律得
mgr×cosθ-mg×(1+sinθ)=0
得 2cosθ=1+sinθ,
4(1-sin2θ)=1+2sinθ+sin2θ,
5sin2θ+2sinθ-3=0
sinθ=0.6
∴θ=37°
答:
(1)当A球转到最低点时,两小球的重力势能之和减少了mgr.
(2)A球转到最低点时的线速度是.
(3)在转动过程中半径OA向左偏离竖直方向的最大角度是37°.
(16分)如图所示,半圆形竖直光滑轨道固定在水平地面上,轨道半径
,与水平粗糙地面
相切,质量
的物块
静止在水平地面上
点,另一质量
物块
在
点以
的初速度沿地面滑向物块
,与物块
发生碰撞(碰撞时间极短),碰后两物块粘在一起,之后冲上半圆轨道,到最高点
时,两物块对轨道的压力恰好等于两物块的重力。已知
两点间距
,
与
均可视为质点,空气阻力不计,
取
。求:
(1)物块与
刚碰后一起运动的速度
;
(2)物块和地面间的动摩擦因数
。
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)在轨道的最高点,根据牛顿定律
①
②
从最低点到最高点的过程中,根据机械能守恒
③
由①②③式代入数据解得 ④
(2)两物块碰撞的过程中,根据动量守恒定律
⑤
物块从
运动到
的过程中,根据动能定理
⑥
由④⑤⑥式并代入数据得: ⑦
评分标准:①③⑤⑥式每式各3分,②④式每式各1分,⑦式2分,共计16分。
(16分)如图所示,内壁光滑的半径为R的圆形轨道,固定在竖直平面内,质量为m1小球静止在轨道最低点,另一质量为m2的小球(两小球均可视为质点)从内壁上与圆心O等高的位置由静止释放,到最低点时与m1发生弹性碰撞,求:
(1)小球m2运动到最低点时的速度大小;
(2)碰撞后,欲使m1能沿内壁运动到最高点,则m2/m1应满足什么条件?
正确答案
(1);(2)
(1)设小球m2运动到最低点时的速度为v0,由机械能守恒,得
①
解得 ②
(2)设弹性碰撞后,m1、m2两球的速度分别为v1、v2,则
③
④
由③④两式解得 ⑤(另一解不合实际,舍去)
设m1运动到轨道的最高点时速度为v,则有
⑥
小球m1由最低点运动最高点的过程中机械能守恒,则
⑦
由②⑤⑥⑦式解得 ⑧
根据机械能守恒求解出最低速度;再根据动量守恒求出碰后的速度,然后根据圆周运动的临界问题及机械能守恒求解。
(1)m摆至最低点时速度大小;
(2)m摆至最低时M所受摩擦力大小.
正确答案
(1)(2)
、
(1)m向下摆动过程中,机械能守恒,至最低点时速度v为:
(4分)
(2分)
(2)最低点时绳的拉力T为: (4分)解得
M所受摩擦力为:
若,
(2分) 解得:
(1分)
若,
(2分) 解得:
(1分)
如图所示,一根不可伸长的轻绳两端各系一个小球a和b,跨在两根固定在离地高度为H的光滑水平细杆A、B上,质量为m的b球与B的距离为L,质量为4m的a球放置于地面上。把b球从水平位置由静止释放,求:
(1)a球对地面的最小压力
为多大?
(2)已知细线能承受的最大拉力Fm=4mg,现给b球竖直向下的初速度,当b球运动到B点的正下方时细线恰被拉断,求b球落地点与B点的水平距离。
正确答案
(1)B球下落时,由机械能守恒有
(2分)
在最低点,设绳的拉力为FT,由牛顿第二定律有
(
2分)
设地面对a球的支持力为FN,由平衡条件有
FN+FT="4mg " (1分)
解得Ft=3mg,FN=mg。
由牛顿第三定律可知a球对地面的最小压力为mg。 (1分)
(2)b球运动到B点正下方时
(2分)
线断后b球做平抛运动,设所求水平距离为x
(1分)
x=v1t (1分)
解得
略
如图13所示,半径为R的光滑半圆环轨道竖直固定在一水平光滑的桌面上,桌距水平地面的高度也为R。在桌面上轻质弹簧被a、b两个小球挤压(小球与弹簧不拴接),处于静止状态。同时释放两个小球,小球a、b与弹簧在水平桌面上分离后,a球从B点滑上光滑半圆环轨道并恰能通过半圆环轨道最高点A,b球则从桌面C点滑出后落到水平地面上,落地点距桌子右侧的水平距离为。已知小球a质量为m,重力加速度为g。
求:(1)释放后a球离开弹簧时的速度大小;
(2)释放后b球离开弹簧时的速度大小;
(3)释放小球前弹簧具有的弹性势能。
正确答案
(1) (2)
(3)
(1)a球恰能通过半圆环轨道最高点A时
a球从B运动到A过程中机械能守恒
联立解得:
(2) b球则从桌面C点滑出做平抛运动
代入数据求得:
(3)以ab与弹簧为研究对象,动量守恒:
得: 弹簧的弹性势能为:
得
(19分)如图所示,半径为R的四分之一圆弧形支架竖直放置,圆弧边缘C处有一小定滑轮,绳子不可伸长,不计一切摩擦,开始时,m1、m2两球静止,且m1>m2,试求:
(1)m1释放后沿圆弧滑至最低点A时的速度.
(2)若A点离地高度为2R,m1滑到A点时绳子突然断开,则m1落地点离A点的水平距离是多少?
(3)为使m1能到达A点,m1与m2之间必须满足什么关系.
正确答案
(1)(2)
(3)
试题分析:(1)两个小球组成的系统机械能守恒,有:
两小球在沿绳方向的速度相等,有:
联立解得:
(2)绳断后m1做平抛运动,竖直方向有:
水平方向有:
联立解得;
(3) 为使m1能到达A点,应满足
又有
解得:
(9分)质量为M="6" kg的木板B静止于光滑水平面上,物块A质量为6 kg,停在B的左端。质量为1 kg的小球用长为0. 8 m的轻绳悬挂在固定点O上,将轻绳拉直至水平位置后,由静止释放小球,小球在最低点与A发生碰撞后反弹,反弹所能达到的最大高度为0.2 m,物块与小球可视为质点,不计空气阻力。已知A、B间的动摩擦因数,为使A、B达到共同速度前A不滑离木板,木板至少多长?
正确答案
0.25m
试题分析:,
(1分)
(1分)
球与A碰撞过程中,系统动量守恒(1分)解得
(1分)
物块A与木板B相互作用过程中(1分),
(1分)
(2分),
(1分)
(1)(6分)氢原子的能级如图所示。氢原子从n=3能级向n=l能级跃迁所放出的光子,恰能使某种金属产生光电效应,则该金属的截止频率为____Hz;用一群处n=4能级的氢原子向低能级跃迁时所发出的光照射该金属,产生的光电子最大初动能为____ eV(普朗克常量h=6.63×10-34J'·s,结果均保留2位有效数字)。
(2)(9分)如图所示,一半径为R的半圆形光滑轨道固定在竖直平面内.a、b是轨道的两端点且高度相同,O为圆心。小球A静止在轨道的最低点,小球B从轨道右端b点的正上方距b点高为2R处由静止自由落下,从b点沿圆弧切线进入轨道后,与小球A相碰。第一次碰撞后B球恰返回到b点,A球上升的最高点为c,Oc连线与竖直方向夹角为60°(两球均可视为质点)。求A、B两球的质量之比mA:mB。(结果可以用根式表示)
正确答案
(1) 0.66 (2)
试题分析:(1)解决本题的关键是知道能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能级差.原子从能级n=3向n=1跃迁所放出的光子的能量为13.6-1.51=12.09eV,因所放出的光子,恰能使某种金属产生光电效应,则有,解得:
.
当光子能量等于逸出功时,恰好发生光电效应,所以逸出功.
从n=4能级的氢原子向n=1跃迁所放出的光子能量最大,为,
根据光电效应方程得 最大初动能.
(2)小球B从静止下落至碰前过程只有重力做功,机械能守恒,设B与A碰前的速度大小为,则
由机械能守恒定律得
设第一次碰撞后A、B的速度大小分别为、
,在第一次碰撞后B球恰返回到b点、A球上升的最高点c的过程中都只有重力做功,机械能守恒,由机械能守恒定律得
对小球A:
对小球B:
两球碰撞瞬间A、B组成的系统在水平方向上动量守恒,由动量守恒定律得:
以上各式联立解得:
(12分)如图9所示,光滑水平面AB与竖直面内的半圆形导轨在B点相接,导轨半径为R.一个质量为m的物体将弹簧压缩至A点后由静止释放,在弹力作用下物体获得某一向右速度后脱离弹簧,当它经过B点进入导轨瞬间对导轨的压力为其重力的7倍,之后向上运动恰能完成半个圆周运动到达C点.试求:
(1)弹簧开始时的弹性势能;
(2)物体从B点运动至C点克服阻力做的功;
(3)物体离开C点后落回水平面时的动能.
正确答案
(1)3mgR (2)0.5mgR (3)2.5mgR
(1)物块在B点时,
由牛顿第二定律得:FN-mg=m,FN=7mg
EkB=mvB2=3mgR
在物体从A点至B点的过程中,根据机械能守恒定律,弹簧的弹性势能Ep=EkB=3mgR.
(2)物体到达C点仅受重力mg,根据牛顿第二定律有
mg=m
EkC=mvC2=
mgR
物体从B点到C点只有重力和阻力做功,根据动能定理有:
W阻-mg·2R=EkC-EkB
解得W阻=-0.5mgR
所以物体从B点运动至C点克服阻力做的功为W=0.5mgR.
(3)物体离开轨道后做平抛运动,仅有重力做功,根据机械能守恒定律有:
Ek=EkC+mg·2R=2.5mgR.
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