- 机械能守恒定律
- 共8461题
如图甲所示,小车B静止在光滑水平上,一个质量为m的铁块A(可视为质点),以水平速度v0=4.0m/s滑上小车B的左端,然后与小车右挡板碰撞,最后恰好滑到小车的中点,已知=3,小车车面长L=1m.设A与挡板碰撞无机械能损失,碰撞时间可忽略不计,g取10m/s2,求:
(1)A、B最后速度的大小;
(2)铁块A与小车B之间的动摩擦因数;
(3)铁块A与小车B的挡板相碰撞前后小车B的速度,并在图乙坐标中画出A、B相对滑动过程中小车B相对地面的速度v-t图线.
正确答案
(1)对A、B系统,由动量守恒定律得:
Mv0=(M+m)v,解得v==1m/s;
(2)A、B系统整个过程,由动能定理得:
μmg×1.5L=m
-
(M+m)
,
解得:μ==0.4;
(3)设A、B碰撞前速度分别为v10和v20,
对系统动量守恒 mv0=mv1+Mv2,
对系统能量转化和守恒定律得:
μmgL=mv02-
mv102-
M
带入数据联立方程,解得v10=1+=2.732 m/s,(舍v10=1-
=-0.732m/s)
v20=1-=0.423m/s,
该过程小车B做匀加速运动,
由牛顿第二定律得:μmg=MaM,
解得:aM=m/s2,v20=aMt1,t1=0.317s,
A、B相碰,设A、B碰后A的速度为v1和 v2
A、B系统动量守恒:mv0=mv1+Mv2
对系统机械能守恒mv102+
M
=
mv12+
M
,
带入数据联立方程,解得v1=1-=-0.732 m/s,(舍v1=1+
m/s)
“-”说明方向向左;v2=1+=1.577m/s,
该过程小车B做匀减速运动,-μmg=MaM,解得aM=-m/s2,
到最终相对静止:v=v2+aMt2,t2=0.433s,
所以,运动的总时间为:t=t1+t2=0.75s,
小车B的v-t图如图所示;
答:(1)A、B最后速度的为1m/s;
(2)铁块A与小车B之间的动摩擦因数为0.4;
(3)小车B相对地面的速度v-t图线如图所示.
如图,水平桌面距地面h(h>L),质量为m长度为L的匀质细链条有L/4悬于桌边,将链条由静止释放,链条下端刚触地时,链条的速率为多大?(不计一切摩擦及空气阻力)
正确答案
铁链释放之后,到落地前,机械能守恒,重力势能的减小量等于动能的增加量,故
[mgh+
mg(h-
L)]-mg
=
mv2
解得:v=
答:链条下端刚触地时,链条的速率为.
如图是放置在竖直平面内游戏滑轨的模拟装置,滑轨由四部分粗细均匀的金属杆组成:水平直轨AB,半径分别为R1=1.0m和R2=3.0m的弧形轨道APC和BQD,倾斜直轨CD长为L=6 m,AB、CD与两圆形轨道相切,其中倾斜直轨CD部分表面粗糙,动摩擦因数为,其余各部分表面光滑。一质量为m=2kg的滑环套在滑轨上,从AB的中点E处以v0=10 m/s的初速度水平向左运动。已知:sin37°=0.6,cos37°=0.8(取g=10 m/s2)。求:
(1)滑环第一次通过圆O2的最低点F处时对轨道的压力;
(2)滑环在克服摩擦力做功过程中所经过的总路程。
正确答案
解:(1)滑环第一次由E到F点过程,由机械能守恒得
在F点,满足
解得
由牛顿第三定律知,滑环对轨道的压力为166.7 N
(2)滑环在每次经过DC段时克服摩擦力做功,机械能转化为内能,因μ
解得s=78m
如图所示,一支粗细均匀的U形管内装有同种液体且竖直放置,右管口用盖板A密封一部分气体,左管开口,两侧管内液面的高度差为h,U形管中液柱的总长度为4h。现拿去盖板A,液柱开始流动,不计水的粘滞阻力,当两侧管内的液面恰好相齐时,右侧液面下降的速度大小为多少?
正确答案
解:对管中的液体,运动过程中只有重力做功
它的机械能守恒,液体减少的重力势能等于液体增加的动能
设液体的总质量为m
那么当液面相平时
相当于质量为的液体下降了
的高度
所以减少的重力势能为
根据机械能守定律:
解得
如图所示,质量为m的小球与一根不可伸长的长为L的轻绳相连接,绳的另一端固定于O点,现将小球拉到跟水平方向成30°角的上方(绳恰好伸直),然后将小球自由释放,求小球到最低点时受到绳子的拉力的大小。
正确答案
解:小球释放后,先做自由落体运动直到绳子绷直,根据对称性和三角形的全等关系,当绳子再次与水平方向的夹角为30°时,绳子与O点的距离再次为L,这时绳子刚好绷直,设绳刚绷直时获得的速度是v,则有
mg·2Lsin30°=
由于绳子绷紧瞬间,绳对球的作用力远大于球的重力,使小球沿绳子方向的速度突变为零,而小球在垂直于绳子方向的速度为v1不变,如图所示,则
v1=vcos30°=
小球绷紧细绳后继续下摆到最低点的过程,机械能守恒
+mgL(1-sin30°)=
由向心力来源得FT-mg=m
最低点绳子拉力FT=3.5mg
如图所示,在光滑水平面上有A,B,C三个大小相同的弹性小球静止地排成一直线.已知A球质量是为m,B球质量为3m,C球质量为2m.现使A球沿三球球心连线以速度v0冲向B球.假设三球间的相互作用都是弹性碰撞.试求三球不再发生相互作用时每个球的速度.
正确答案
设小球A与B发生碰撞后速度分别为vA、vB,
因为是弹性碰撞,
由动量守恒和动能守恒得
mv0=mvA+3mvB
m
=
m
+
×3m
代入数据解得
vA=v0=-
v0
方向向左
vB=v0=
v0
方向向右
此后B球以速度vB与C球发生碰撞,
设碰撞后速度分别为vB′、vC,
因为是弹性碰撞,
由动量守恒和动能守恒得
3mvB=3mvB+2mvC
×3m
=
×3mvB^2+
×2m
代入数据解得
vB′=vB=
vB=
v0
方向向右
vC=vB=
vB=
v0
方向向右
此后三球不会在碰撞
故三球不再发生相互作用时速度分别为-v0、
v0、
v0.
如图所示,总长为L的光滑匀质铁链跨过一个光滑的轻小滑轮,开始时底端相齐,当略有扰动时其一端下落,则铁链刚脱离滑轮的瞬间的速度为多大?
正确答案
解:设铁链单位长度的质量为ρ,且选滑轮最高点所在水平面为参考平面,则初状态机械能
末状态机械能为
由机械能守恒定律:E1=E2,
即
所以
如图所示,光滑水平面上有A、B两辆小车,质量mc=0.50kg的小球用0.50m长的细线悬挂在A车的支架上.已知=1.0kg,开始时,B车静止,A车以
=4m/s的速度驶向B车并与其正碰后粘在一起.若碰撞时间极短.且不计空气阻力,取g=10m/
.求小球C摆起的最大高度.
正确答案
0.16m
模块3-5试题
(1)氢原子第n能级的能量为En=,其中E1是基态能量,而n=1,2,….若一氢原子发射能量为-
E1的光子后处于比基态能量高出-
E1的激发态,则氢原子发射光子前后分别处于第几能级?
(2)一速度为v的高速α粒子(24He)与同方向运动的氖核(1020Ne)发生弹性正碰,碰后α粒子恰好静止.求碰撞前后氖核的速度(不计相对论修正).
正确答案
(1)设氢原子发射光子前后分别处于第l与第m能级,
发射后的能量Em=,
故=E1-
E1
解得m=2
发射前的能量El=
根据题意知El=Em-E1
-
=-
E1
将m=2代入上式解得l=4
故氢原子发射光子前后分别处于第4与第2能级.
(2)设a粒子与氖核的质量分别为ma与mNe,氖核在碰撞前后的速度分别vNe为与v'Ne.
由于a粒子与氖核碰撞过程中动量守恒
故有mav+mNevNe=mNev'Ne
由于发生弹性正碰过程中系统的机械能守恒,故有
mav2+
mNevNe2=
mNev′Ne2
解得:vNe=v
v′Ne=v
由于a粒子的质量数为4,而氖核(1020Ne)的质量数为20,故有
=
故碰撞前氖核的速度vNe=v
碰撞后氖核的速度v′Ne=v
答:(1)氢原子发射光子前后分别处于第4与第2能级.
(2)碰撞前氖核的速度vNe=v;碰撞后氖核的速度v′Ne=
v
如图所示,一质量为1×10-4kg,带电量为5×10-6C的带电粒子在一加速电压为1×105V的电场中,从静止开始加速,飞出电场后水平击中静止在光滑圆弧底端的小木块,并随小木块一起以5m/s的速度向前滑行,已知水平轨道AB=10m,与木块的动摩擦因素μ=0.5,BC是半径R=300m的光滑圆弧轨道.试求:
(1)带电粒子经加速电场加速后的速度大小;
(2)带电粒子射入小木块后,木块需经过多长时间停止?(g取10m/s2,cos5°=0.996)
正确答案
(1)根据动能定理,qu=mυ2
解得,υ=100m/s
(2)物体上滑只有重力做功,所以机械能守恒,
由机械能守恒定律有:(M+m)υ02=(M+m)gh
解得,h=1.25m
由几何关系,则有cosθ==0.9958
∴θ≈5°
把物体向上滑行看作单摆振动.
向上滑行时间 t1==
=17.2S
B→A f=ma=μmg a=μg t2==1s
∴t=t1+t2=18.2s
答:(1)带电粒子经加速电场加速后的速度大小为100m/s;
(2)带电粒子射入小木块后,木块需经过18.2s时间停止.
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