- 机械能守恒定律
- 共8461题
(9分)如图示,竖直平面内一光滑水平轨道左边与墙壁对接,右边与一足够高的1/4光滑圆弧轨道平滑相连,木块A、B静置于光滑水平轨道上,A、B质量分别为1.5kg和0.5kg。现让A以6m/s的速度水平向左运动,之后与墙壁碰撞,碰撞时间为0.3s,碰后速度大小变为4m/s。当A与B碰撞后会立即粘在一起运动,已知g=10m/s2 求 :
①A与墙壁碰撞过程中,墙壁对小球平均作用力的大小;
②A、B滑上圆弧轨道的最大高度。
正确答案
① ②h=0.45m
试题分析:①设水平向右为正方向,当A与墙壁碰撞时根据动能定理有:
. ........ 2分
解得 方向水平向左 . …… 2分
②当A与B碰撞时,设碰撞后两物体的速度为v,根据动量守恒定律有
…… …. 2分
A B在光滑圆形轨道上升时,机械能守恒,由机械能守恒定律得
…… .. 2分
解得h=0.45m …… ..1分
如图所示,将一小球(可被视作质点)从倾角为θ的光滑斜面上A点以速度v0水平抛出(使v0∥EF),小球运动到B点,已知A点的高度h,用g表示重力加速度,则小球到达B点时的速度大小为______。
正确答案
试题分析:光滑斜面,所以机械能守恒,根据机械能守恒定律则,因此速度为
点评:本题考查了机械能守恒定律的运用和理解,在使用之前要先判断是否满足条件才能使用机械能守恒定律
(14分)如图所示,光滑水平面AB与竖直面内的光滑半圆形导轨在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,之后向上运动恰能完成半个圆周运动到达C点.试求:
(1)物体运动到B后一瞬间对导轨的压力;
(2)弹簧开始时的弹性势能;
(3)若使物体带上q的正电荷,同时在BC半圆形导轨区间内加上一水平向左的匀强电场,仍要使物体恰能完成BC导轨上的圆周运动,则弹簧开始时的弹性势能至少为多少。
正确答案
(1) (2)2.5mgR(3)
试题分析:(1)在C点:由得
从B到C由机械能守恒得 ------①
在B点由向心力得 ------------------②
由①②得
(2)从开始到C由机械能守恒得
(3)等效最高点D点在半径与水平方向成45°右上方
在D点由向心力公式有 --------------①
从开始到D点由能量守恒有-------②
由①②得
建议:第(1)(2)问各4分,第(3)问6分
点评:本题难度中等,在圆周运动中,沿半径方向上的合力提供向心力,据此可求得最低点支持力的大小,能通过最高点的临界条件是最小速度为重力提供向心力时的线速度,求解第3问时注意从能量守恒的观点思考问题
24.(17分)某宇航员在地球表面和某星球表面分别用如图所示同样装置做同样的实验,一小球静止在固定的竖直光滑圆弧内轨道的最低点,当分别给小球一个初速度时,都恰好使小球在竖直平面内做完整的圆周运动。现已知在地球做实验时,小球通过最高点的速度大小和在星球上做实验时小球在最低点的速度大小相等,若在该星球表面发射一颗卫星,所需的最小发射速度是多少?(星球半径为R,地球半径未知,万有引力常量为G,地球表面重力加速度为g)
正确答案
设圆弧轨道半径为r,星球上重力加速度为g'
地球上最高点的速度为v1,星球上最高点的速度为v2
地球上: ……(2分) 星球上:
…(2分)
在星球上由机械能守恒定律: ………(3分)
由题意: 解得:
………(3分)
对星球的近地卫星: 而
………(4分)
………(3分)
(17分)如图所示,质量 m=2 kg 的小球以初速度 v0沿光滑的水平面飞出后,恰好无碰撞地进入光滑的圆弧轨道,其中圆弧 AB 对应的圆心角θ=53°,圆半径 R=0.5 m.若小球离开桌面运动到 A 点所用时间t=0.4 s . (sin53°=0.8,cos53°=0.6,g=10 m/s2)
(1)求小球沿水平面飞出的初速度 v0的大小?
(2)到达 B 点时,求小球此时对圆弧的压力大小?
(3)小球是否能从最高点 C 飞出圆弧轨道,并说明原因.
正确答案
(1)3m/s (2)136N (3) 能
试题分析:(1)小球离开桌面后做平抛运动
,
根据几何关系可知,解得
(2)小球到达A点时的速度
从A到B过程中满足机械能守恒,
到达B点时,
整理得:N=136N
(3)小球从B到C点过程中满足机械能守恒,
而,代入数据得
因此小球不脱离轨道,能从C点飞出
如图10-2所示,质量分别为、
的小球
、
分别固定在长为
的轻杆两端,轻杆可绕过中点的水平轴在竖直平面内无摩擦转动,当杆处于水平时静止释放,直至杆转到竖直位置的过程中,杆对小球
所做的功为 .杆对小球
所做的功为 .
正确答案
在此过程中由于、
构成的系统的机械能守恒,因此系统减少的重力势能应与系统增加的动能相等.即
由此解得、
两球转到杆处于竖直位置时的速度大小为
而在此过程中、
两球的机械能的增加量分别为
所以,此过程中轻杆对A、B两小球所做的功分别为
利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图所示,水平桌面上固定一倾
斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为M,左端由跨
过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上B点有一光电门,可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t,用d表示A点到光电门B处的距离, b表示遮光片的宽度,将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度,实验时滑块在A处由静止开始运动。
⑴用游标卡尺测量遮光条的宽度b,结果如图所示,由此读出b=mm;
⑵滑块通过B点的瞬时速度可表示为;
⑶某次实验测得倾角,重力加速度用g表示,滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为ΔEk=,系统的重力势能减少量可表示为ΔEp=,在误差允许的范围内,若ΔEk = ΔEp则可认为系统的机械能守恒;
⑷在上次实验中,某同学改变A、B间的距离,作出的图象如图所示,并测得M=m,则重力加速度g=m/s2。
正确答案
⑴3.85mm⑵⑶
,
⑷ 9.6
试题分析:⑴游标卡尺的读数为:
⑵因为滑块比较小,通过光电门的平均速度可看做瞬时速度,即通过B的速度为
⑶系统动能增加量可表示为
系统的重力势能减少量可表示为
(4)根据机械能守恒可得即
,代入数据可得
(18分)如图所示,圆管构成的半圆形轨道竖直固定在水平地面上,轨道半径为R,MN为直径且与水平面垂直,直径略小于圆管内径的小球A以某一速度冲进轨道,到达半圆轨道最高点M时与静止于该处的质量与A相同的小球B发生碰撞,碰后两球粘在一起飞出轨道,落地点距N为2 R。重力加速度为g,忽略圆管内径,空气阻力及各处摩擦均不计,求
(1)粘合后的两球从飞出轨道到落地的时间t;
(2)小球A冲进轨道时速度v的大小。
(3)小球A与小球B球碰撞前瞬间对轨道的压力多大?方向如何?
正确答案
(1) (2)
(3)
, 方向竖直向上
试题分析:(1)粘合后的两球飞出轨道后做平抛运动,竖直方向分运动为自由落体运动,有
① ( 2分)
解得② (1分)
(2)设球A的质量为m,碰撞前速度大小为v1,把球A冲进轨道最低点时的重力势能定为0,
由机械能守恒定律知 ③(3分)
设碰撞后粘合在一起的两球速度大小为v2,
由动量守恒定律知 ④( 3分)
飞出轨道后做平抛运动,,有 ⑤ (2分 )
综合②③④⑤式得 (2分 )
(3) (2分 )
(1分)
(1分)
方向竖直向上(1分)
(12分)如图所示,在一光滑的水平面上,有三个质量都是m的物体,其中B、C静止,中间夹着一个质量不计的弹簧,弹簧处于松弛状态,今物体A以水平速度v0撞向B,且立即与其粘在一起运动。求整个运动过程中
(1)弹簧具有的最大弹性势能;
(2)物体C的最大速度。
正确答案
(1)mv02;(2)
v0。
试题分析:(1)欲求弹簧的最大弹性势能,就是弹簧被压缩到最短时弹簧具有的势能,此时三个物体的速度相同,我们可以把该过程分为两段,一是物体A与B碰撞后一起运动的过程,二是AB再与C一起作用时最终达到相同速度的过程,这两个过程中,遵循动量守恒,第二个过程遵循机械能守恒,故利用第二个过程中的机械能守恒把弹簧的最大弹性势能求出来;(2)当物体C的速度最大时,弹簧的弹性势能为0,故又可根据动量守恒及机械能守恒把物体C的最大速度求出来。
具体过程:
(1)A、B碰撞过程动量守恒,mv0=2mv1;
A、B碰撞后至弹簧被压缩到最短,三物体组成的系统动量守恒,机械能守恒,
故2mv1=3mv2,×2mv12=
×3mv22+Ep,可得Ep=
mv02。
(2)弹簧恢复原长时,C物体的速度达到最大,
由系统动量守恒和机械能守恒,得3mv2=2mv3+mvm,×2mv12=
×3mv32+
mvm2,
可得vm=v0。
如图所示,AB是半径为R的1/4光滑圆弧轨道。B点的切线在水平方向,且B点离水平地面高为h,有一物体(可视为质点)从A点静止开始滑下,重力加速度为g。求:
(1)物体运动到B点时的速度大小;
(2)物体到达B点时的加速度a1及刚离开B点时的加速度a2;
(3)物体落地点到B点的距离s 。
正确答案
(1) (2)
(3)
⑴根据机械能守恒定律可知小球运动由到
点的速度大小为
………………(2分)
⑵物体到达点时受到重力和支持力的作用,其合力提供向心力,
即加速度为向心加速度,
;………………………………(1分)
物体刚离开点时只受到重力作用,加速度
;……………………(1分)
⑶小球离开点后做平抛运动,下落时间
………………………(1分)
水平射程 ………………………(2分)
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