- 机械能守恒定律
- 共8461题
如图所示,在绝缘光滑水平桌面上有两个静止的小球A和B,B在桌边缘.A和B均可视为质点,质量均为m=0.2kg.A球带正电,电荷量为q=0.1C.B球是绝缘体,不带电.桌面离地面的高度h=0.05m.开始时A、B相距L=0.1m.在方向水平向右,大小E=10N/C的匀强电场的电场力作用下,A开始向右运动,并与B球发生碰撞.碰撞中A、B的总能量无损失,A和B间无电荷转移,取g=10m/s2
求:(1)A经过多长时间和B相碰?
(2)A、B落地点之间的水平距离是多大?
正确答案
(1)A在电场作用下做初速度为零的匀加速直线运动,根据动能定理有:
qEL=m
得:v0=
=1m/s
由L=t得:t=
=0.2s.
(2)设碰撞后A、B两速度分别为vA、vB,根据动量守恒和动能守恒得:
mv0=mvA+mvB
m
=
m
+
m
联立解得:vA=0,vB=1m/s.
则A球和B球发生碰撞后,B做平抛运动,A在竖直方向上做自由落体运动,在水平方向上初速度为零的匀加速运动,两球在竖直方向都做自由落体运动,运动时间相等,则有:
h=gt2,得 t=
=0.1s
则A球落地时水平位移为:xA=at2=
•
t2=0.025m
B球落地时水平位移为:xB=vBt=0.1m
故A、B两小球的落地点之间的距离为:S=xB-xA=0.075m
答:(1)在小球A与B相碰前A的速率为1m/s;
(2)A、B两小球的落地点之间的距离是0.075m.
如图所示,竖直平面内的3/4圆弧形光滑轨道半径为R,A端与圆心O等高,AD为水平面,B点为光滑轨道的最高点且在O的正上方,一个小球在A点正上方由静止释放,自由下落至A点进入圆轨道并恰好能通过B点,最后落到水平面C点处.求:
(1)释放点距A点的竖直高度;
(2)落点C到A点的水平距离.
正确答案
(1)
(2)
(1)小球恰能通过最高点B时,有:
,解得:
(3分)
设释放点到A高度h,小球从释放到运动至B点的过程中,根据机械能守恒定律,有:
(3分)
联立解得: (2分)
(2)小球从B到C做平抛运动,则
竖直分运动: (2分)
水平分运动: (2分)
联立解得: (2分)
所以,落点C到A点的水平距离 (1分)
特种兵过山谷的一种方法可简化为图示情景。将一根长为2d的不可伸长的细绳两端固定在相距为d的A、B两等高点,绳上挂一小滑轮P,战士们相互配合,沿着绳子滑到对面。如图所示,战士甲(图中未画出)水平拉住滑轮,质量为m的战士乙吊在滑轮上,脚离地,处于静止状态,此时AP竖直,然后战士甲将滑轮从静止状态释放,若不计滑轮摩擦及空气阻力,也不计绳与滑轮的质量,求:
(1)战士甲释放前对滑轮的水平拉力F;
(2)战士乙滑动过程中的最大速度。
正确答案
(1)mg (2)
(1)设乙静止时AP间距离为h,则由几何关系得
d2+h2=(2d-h)2 (1分)
解得 h= (1分)
对滑轮受力分析如图,则有
FT+FTcosθ=mg (1分)
FTsinθ=F (1分)
解得: F=mg (2分)
(2)乙在滑动过程中机械能守恒,滑到绳的中点位置最低,速度最大。此时APB三点构成一正三角形。
P与AB的距离为 h/=dcos30°= (2分)
由机械能守恒有 mg(h/-h)= (2分)
解得 (2分)
如图所示,光滑水平面MN的左端M处有一弹射装置P,右端N处与水平传送带理想连接.传送带水平部分长L=8m,并以恒定速度v=3m/s沿图示箭头方向移动.质量均为m=1kg、静止于MN上的物块A、B(视为质点)之间压缩一轻弹簧,贮有弹性势能EP=16J.若A、B与传送带间的动摩擦因数μ=0.2,则解除弹簧压缩,弹开物块A、B后,求:
(1)物块B在传送带上向右滑行的最远距离L1;
(2)物块B返回到水平面MN时的速度vB′;
(3)若物块B返回水平面MN后,与被弹射装置P弹回的物块A在水平面MN上弹性碰撞(碰撞过程无动能损失,碰撞时间极短),使物块B从传送带水平部分的右端Q滑出,则弹射装置P必须给物块A至少做多少功?
正确答案
(1)解除锁定后弹簧恢复原长时,A、B的速度大小分别为vA、vB,由系统机械能守恒、动量守恒得:
mBvB=mAvA
E=mBvB2+
mAvA2
联立解得 vA=vB=4m/s
设B沿传送带向右滑行的最远距离为L1,由功能关系 μmg L1=mvB2
解得 L1=4m
(2)因为v=4m/s>3m/s,所以B返回时先加速再随传送带一起运动,B返回到水平面MN时的速度
vB′=3m/s
(3)以A为研究对象,设碰后A、B的速度分别为vA′、vB″,由动能定理
W=mAvA′2-
mAvA2
B能从Q端滑出一定有 mBvB″2≥μmgL
A与B质量相等,完全弹性碰撞后速度互换,则A的速度vA′=vB″
联立解得 W≥8J.
答:(1)物块B在传送带上向右滑行的最远距离为4m;
(2)物块B返回到水平面MN时的速度为3m/s;
(3)弹射装置P必须给物块A至少做8J的功.
跳水的过程可简化如下:运动员将跳板向下压到最低点,跳板反弹将运动员上抛到最高点,然后做自由落体运动,竖直落入水中.如果将运动员视为质点,且已知运动员的质量为,重力加速度为,间、间和与水面间的竖直距离分别为1、2、3,如图所示.试求:
(1)运动员从点下落到水面的时间和入水时的速度大小;
(2)跳板反弹过程中对运动员所做的功.
正确答案
解:(1)运动员从最高点下落到水面的时间
由1+3=2,得=
从点下落到水面,机械能守恒,有(1+3)=2(由运动学公式2=2(1+2)求解同样对)
解得入水速度大小为=
(2)从到对运动员运用动能定理,有-(1+2)=0-0
解得=(1+2)
如图所示,半径为的金属环竖直放置,环上套有一质量为的小球,小球开始时静止于最低点。现给小球一冲击,使它以初速度0
沿环上滑,已知0=
。求:
(1)若金属环光滑,小球运动到环的最高点时,环对小球作用力的大小和方向;
(2)若金属环粗糙,小球运动到环的最高点与环恰无作用力,小球从最低点运动到最高点的过程中克服摩擦力所做的功。
正确答案
解:(1)设小球到最高点速度为1,金属环光滑,由机械能守恒定律得:解得:1=
在最高点+=解得:=,方向竖直向下
(2)小球在最高点与环作用力恰为0时,设速度为2则=解得:2=
从最低点到最高点,由动能定理得:
解得:克=
《愤怒的小鸟》是最近人气火爆的一款游戏,这款游戏画面卡通可爱、充满趣味性,为了报复偷走鸟蛋的肥猪们,鸟儿以自己的身体为武器,用弹弓将自己弹出,像炮弹一样去攻击肥猪.设小鸟被抛出后的运动规律与地面上的小石头在真空中被抛出后的运动规律是一样的.如图所示,P点有一弹弓,可以向任何方向以1m/s的速度弹出小鸟.设弹出时的小鸟位置都在Q点,Q点离地面的高度为h=1.8cm.在O处,有一高为H=5cm的障碍塔,在A、B、C三处各有一只肥猪,AB=BC.某玩家将小鸟弹出后,小鸟恰好在最高点通过障碍塔顶,之后落地时击中A点处的肥猪.(g取10m/)
(1)求小鸟击中A处肥猪时的速度大小;
(2)求小鸟从离开弹弓到击中A处肥猪所需要的时间;
(3)被弹射的小鸟“黄风”具有手指触摸屏幕后瞬时速度加倍的特性.若玩家用与前面相同的速度弹出小鸟,在小鸟飞到最高点时用手指触摸屏幕让其加速,最终小鸟落地时击中C处的肥猪,求AB的距离.
正确答案
(1)由机械能守恒得:
mgh=mv2-
m
解得 v=≈1.17m/s
(2)玩家将小鸟弹出到最高点过程,看成平抛运动的逆过程,则有:
H-h=g
得:t1==0.08s
小鸟从最高点到击中A处肥猪过程做平抛运动,则有:
H=g
得:t2==0.1s
故小鸟从离开弹弓到击中A处肥猪所需要的时间为:t总=t1+t2=0.18s;
(3)打出时,竖直方向有:v⊥=gt1=0.8m/s
则小鸟的水平速度为:vx==0.6m/s
加速后有:vx′=2vx=1.6m/s
故:xOA=vxt2=0.06m
xOC=vx′t2=0.12m
则:xAB=xAC=(xOC-xOA)=0.03m
答:(1)小鸟击中A处肥猪时的速度大小是1.17m/s;
(2)小鸟从离开弹弓到击中A处肥猪所需要的时间是1.18s;
(3)AB的距离是0.03m.
在光滑水平面上有两个小木块A和B,其质量mA=1kg、mB=4kg,它们中间用一根轻质弹簧相连.一颗水平飞行的子弹质量为m=50g,以V0=500m/s的速度在极短时间内射穿两木块,已知射穿A木块后子弹的速度变为原来的,且子弹射穿A木块损失的动能是射穿B木块损失的动能的2倍.求:系统运动过程中弹簧的最大弹性势能.
正确答案
子弹穿过A时,子弹与A动量守恒,
由动量守恒定律:mv0=mAvA+mv1 ①
而由v1=v0 得:v1=300m/s
得:vA=10m/s ②
子弹穿过B时,子弹与B动量守恒,
由动量守恒定律:mv1=mBvB+mv2 ③
又由m
-
m
=2(
m
-
m
) ④
得:v2=100m/s
由③,④得:vB=2.5m/s ⑤
子弹穿过B以后,弹簧开始被压缩,A、B和弹簧所组成的系统动量守恒
由动量守恒定律:mAvA+mBvB=(mA+mB)v共 ⑥
由能量关系:Ep=mA
+
mB
-
(mA+mB)
⑦
由②⑤⑥⑦得:EP=22.5J ⑧
答:系统运动过程中弹簧的最大弹性势能为22.5J.
竖直平面内有一光滑圆弧形轨道,O为最低点,A、B两点距0点的高度分别为h和4h,现从A点释放一质量为M的大物体,且每隔适当的时间从B点释放一质量为m的小物体,它们和大物体碰撞后都结为一体,已知M=100m,
(1)若每当大物体向右运动到O点时,都有一个小物体与之碰撞,问碰撞多少次后大物体的速度最小?
(2)若大物体第一次向右运动到0点时,和小物体碰撞,以后每当大物体向左运动到0点时,才与一个小物体碰撞,问共碰撞多少次后大物体能越过A点?
(3)若每当大物体运动到0点时,都有一个小物体与之碰撞,问碰撞50次后,大物体运动的最大高度为h的几分之几?
正确答案
(1)设A、B在O点的速度大小分别为vA、vB.
由机械能守恒定律得:Mgh=M
,mg•4h=
m
解得,vA=,vB=2
设碰撞n次后大物体的速度最小,最小速度为零,则根据动量守恒得:
MvA-nmvB=(M+m)v
当v=0时,MvA-nmvB=0,则得n=50次
(2)当大物体的速度达到vA时,恰好能越过A点.
第一次碰撞:MvA-mvB=(M+m)v
设再碰撞k次:(M+m)v+kmvB=(M+m+km)vA,
联立解得 k=3
故共碰4次.
(3)第1次碰撞:MvA-mvB=(M+m)v1,
第2次碰撞:(M+m)v1+mvB=(M+2m)v2,
第3次碰撞:(M+m)v2-mvB=(M+3m)v3,
第4次碰撞:(M+m)v3+mvB=(M+4m)v4,
…
第50次碰撞:(M+49m)v49+mvB=(M+50m)v50,
联立解得,v50=vA
根据机械能守恒得:Mgh′=m(v50)2
解得h′=h
答:
(1)若每当大物体向右运动到O点时,都有一个小物体与之碰撞,碰撞50次后大物体的速度最小.
(2)若大物体第一次向右运动到0点时,和小物体碰撞,以后每当大物体向左运动到0点时,才与一个小物体碰撞,共碰撞4次后大物体能越过A点.
(3)若每当大物体运动到0点时,都有一个小物体与之碰撞,碰撞50次后,大物体运动的最大高度为h的.
如图所示,一劲度系数为k的轻弹簧左端固定在长且薄的木板A的左侧,轻弹簧右端与小物块B连接,已知木板A的质量为mA,小物块B的质量为mB.且A、B之间、以及A与水平地面间均光滑.开始时,A和B均静止,现同时对A、B施加等大反向的水平恒力F1和F2,即F1=F2=F.设整个过程中弹簧的形变不超过其弹性限度,B始终未滑离A.求:
(1)以地面作为参照系,求当木板A的位移为lA时,物块B的位移lB的大小;
(2)当弹簧的伸长量最大时,木板A的位移lA'是多大?并求这时由A、B及弹簧组成的系统所具有的机械能E.
正确答案
(1)由动量守恒得,mA-mB
=0
则物块B的位移 大小lB=.
(2)A、B做同频率的简谐运动,设运动到平衡位置时弹簧的伸长量为x.
有:F=kx
弹簧伸长量最大时,有:lA′+lB′=2x
由动量守恒定律可知,mAlA′-mBlB′=0
联立求解,得弹簧的伸长量最大时,lA′=.
外力F所做的功等于系统具有的机械能,所以系统具有的机械能E=.
答:(1)当木板A的位移为lA时,物块B的位移lB的大小lB=.
(2)当弹簧的伸长量最大时,木板A的位移lA′=,这时由A、B及弹簧组成的系统所具有的机械能E=
.
扫码查看完整答案与解析