- 机械能守恒定律
- 共8461题
如图所示,把一个小球从光滑碗内的A点静止释放,可以看到小球到达B点的时候,其高度和A点高度相同,如果不考虑空气阻力和摩擦阻力,你认为小球在运动过程中,什么是不变的?并加以分析。
正确答案
小球沿光滑球面从h高处由静止滚下时,小球的高度不断减小,而速度不断增大,这说明小球凭借其位置而具有的势能不断减小,而由于运动具有的动能不断增大。当小球沿球面向上滚时,小球的位置不断升高,而速度不断减小,说明小球凭借其位置而具有的势能不断增大,由于运动而具有的动能不断减小,到达B点时,速度为0,而势能最大,说明小球在运动过程中,动能和势能总和保持不变。
如图所示,位于竖直平面内有圆弧的光滑轨道,半径为R,OB沿竖直方向,圆弧轨道上端A点距地面高度为H.当把质量为m的钢球从A点静止释放,最后落在了水平地面的C点处.若本地的重力加速度为g,且不计空气阻力.试计算:
(1)钢球运动到B点的瞬间受到的支持力多大?
(2)钢球落地点C距B点的水平距离s为多少?
正确答案
(1)由光滑圆弧轨道滑下,机械能守恒,设小球滑到圆弧轨道下端时速度为v1,则:
mgR=mvB2
解得vB=
即物块A滑到圆弧轨道下端时的速度大小为.
根据牛顿第二定律得:
F-mg=m
F=3mg
(2)根据平抛运动的规律得:
H-R=gt2
S=vBt
S=2
答:(1)钢球运动到B点的瞬间受到的支持力为3mg;
(2)钢球落地点C距B点的水平距离为2.
在光滑的水平面上,静止放置着直径相同的小球A和B,它们的质量分别为m和3m,两球之间的距离为L.现用一大小为F的水平恒力始终作用到A球上,A球从静止开始向着B球方向运动,如图所示,设A球与B球相碰的时间极短、碰撞过程没有机械能损失,碰撞后两球仍在同一直线上运动.求:
(1)A球第一次碰撞B球之前瞬间的速度.
(2)A球到第二次碰撞B球之前,A球通过的总路程S.
正确答案
(1)设A球的加速度为a,第一次碰到B球瞬间速度为v1,则F=ma①
=2aL②
解得ν1=③
(2)两球碰撞过程动量守恒(取向右方向为正方向),得mv1=mvA1'+3mνB1'④
碰撞过程没有机械能损失,得m
=
mv
+
3mv
⑤
解得两球第一次的速度v=-
(方向向左),v′B1=
(方向向右) ⑥
碰后A球先向左匀减速运动,再向右匀加速运动,直到第二次碰撞B球.
设碰后A球向左运动的最大距离为SA2,则=2aSA2⑦
解得SA2=⑧
设两球第一次碰后到第二次碰前经过的时间为t2,两球的位移都为S2,有S2=νt2=ν
t2+
a
⑨
解得t2=,S2=2L⑩
因此到第二次碰撞B球之前,A球通过的总路程S=L+2SA2+S2
解得S=3.5L
答:(1)A球第一次碰撞B球之前瞬间的速度为ν1=.
(2)A球到第二次碰撞B球之前,A球通过的总路程为3.5L.
如图所示,光滑轨道的DP段为水平轨道,PQ段为半径是R的竖直半圆轨道,半圆轨道的下端与水平的轨道的右端相切于P点.一轻质弹簧两端分别固定质量为2m的小球A和质量为m的小球B,质量为m小球C靠在B球的右侧.现用外力作用在A和C上,弹簧被压缩(弹簧仍在弹性限度内).这时三个小球均静止于距离P端足够远的水平轨道上.若撤去外力,C球恰好可运动到轨道的最高点Q.已知重力加速度为g.求撤去外力前的瞬间,弹簧的弹性势能E是多少?
正确答案
对A、B、C及弹簧组成的系统,当弹簧第一次恢复原长时,设B、C共同速度大小为υ0,A的速度大小为υA,由动量守恒定律有
2mυA=(m+m) υ0①
则υA=υ0
由系统能量守恒有E=2mυA2+
(m+m)υ02②
此后B、C分离,设C恰好运动至最高点Q的速度为υ,此过程C球机械能守恒,则
mg•2R=mυ02-
mυ2③
在最高点Q,由牛顿第二定律得mg= ④
联立①-----④式解得:E=10mgR
答:撤去外力前的瞬间,弹簧的弹性势能E是10mgR
杂技演员甲的质量为M=80kg,乙的质量为m=60kg。跳板轴间光滑,质量不计,甲、乙一起表演节目。如下图所示,开始时,乙站在B端,A端离地面1m,且OA=OB。甲先从离地面H=6m的高处自由跳下落在A端当A端落地时,乙在B端恰好被弹起。假设甲碰到A端时,由于甲的技艺高超,没有能量损失,分析过程假定甲、乙可看做质点。
(1)当A端落地时,甲、乙两人速度大小各为多少;
(2)若乙在B端的上升可以看成是竖直方向,则乙离开B端还能被弹起多高;
(3)若乙在B端被弹起时斜向上的速度与水平方向的夹角为450,则乙最高可弹到距B端多高的平台上,该平面与B端的水平距离为多少?
正确答案
解:(1)甲跳下直到B端翘起到最高点的过程中,甲、乙机械能守恒: 又
(2)乙上升到最高点的过程中,机械能守恒,有:
(3)乙在水平方向上做匀速直线运动,竖直方向做竖直上抛运动,有:
联立并代人数据解得h2=1.5m,s=3m ,
甲跳下过程机械能守恒,甲到A端与乙离开B端时甲乙二人速度相等,
乙离开B后在水平方向上1秒匀速直线运动,在竖直方向上做竖直上抛运动。
如图所示,磁场的方向垂直于xy平面向里.磁感强度B沿y方向没有变化,沿x方向均匀增加,每经过1cm增加量为1.0×10-4T,即=1.0×10-4T/cm.有一个长L=20cm,宽h=10cm的不变形的矩形金属线圈,以v=20cm/s的速度沿x方向运动.问:
(1)线圈中感应电动势E是多少?
(2)如果线圈电阻R=0.02Ω,线圈消耗的电功率是多少?
(3)为保持线圈的匀速运动,需要多大外力?机械功率是多少?
正确答案
(1)设线圈向右移动一距离△S,则通过线圈的磁通量变化为:
△Φ=h△SL,而所需时间为△t=
,
根据法拉第电磁感应定律可感应电动势力为E==hvL
=4×10-5V.
(2)根据欧姆定律可得感应电流I==2×10-3A,
电功率P=IE=8×10-8W
(3)电流方向是沿逆时针方向的,导线dc受到向左的力,导线ab受到向右的力.安培力的合力FA=(B2-B1)Ih=LIh=4×10-14N,
所以外力F=FA=4×10-14N.
线圈做匀速运动,所受合力应为零.根据能量守恒得机械功率P机=P=8×10-8W.
如图所示,质量为m=0.1kg的小物块(可视为质点),用一根长为L=1m不可伸长的轻质细线悬挂在距水平桌面1m高的O点,OB为竖直线,在桌面上方B点固定一个小的薄刀片,可切割物块上端的细线,现让物块从右边偏离竖直方向α=600角的A点由静止释放,细线摆到竖直位置时恰好被瞬间切断,物块在动摩擦因数为μ=0.2的水平桌面上由B点滑至D点停止。BD距离为x=2 m(忽略空气阻力,g=10m/s2)求:
(1)细线摆到竖直位置时被切断前(细线被切断前物块与桌面无相互作用),细线受到多大的拉力;
(2)因刀片切断细线,物块损失的机械能△E。
正确答案
解:(1)从A到B机械能守恒
,
。
(2)设细线被切断后物块的初速度为VB,由动能守恒定理
机械能损失为:。
有一种地下铁道,车站站台建得高些,车辆进站时要上坡,出站时要下坡,如图,设站台高度为2m,进站车辆到达坡下的A点时,速度为25.2 km/h,此时切断电动机的电源,车辆能不能“冲”到站台上?如果能够,到达站台上的速度是多大?
正确答案
解:由题意,切断电动机电源的列车,假定在运动中机械能守恒,欲使列车冲上站台,此时列车的动能Ek至少要等于列车在站台上的重力势能Ep.
列车冲上站台时的重力势能Ep= mgh,
列车在A点时的动能为
v = 25. 2 km/h = 7 m/s.
可见Ek >Ep,所以列车能冲上站台,
设列车冲上站台后速度为v1,据机械能守恒定律得Ek=
即
即
临沂城为了解决交通问题,修建了许多立交桥,如图所示,桥面为圆弧形的立交桥AB,横跨在水平路面上,半径R=260 m,桥高h=20 m。可以认为桥的两端A、B与水平路面的连接处是平滑的。一辆小汽车的质量m=1040 kg,以25 m/s的速度冲上圆弧形的立交桥的A点,假设小汽车在A处就关闭了发动机,不计车受到的阻力,试计算:(g取10 m/s2)
(1)小汽车冲到桥顶时的速度是多大?
(2)小汽车在桥顶处对桥面的压力的大小。
正确答案
解:(1)选水平路面为参考平面,由机械能守恒
得v=15 m/s
(2)小汽车在桥顶受重力与支持力
得FN=9.5×103 N
由牛顿第三定律,小汽车在桥顶处对桥面的压力的大小为9.5×103N
如图所示,两光滑圆轨道放置在同一竖直平面内,半径均为R,两轨道之间由一光滑水平轨道相连,在水平轨道上有一轻弹簧被a、b两个小球夹住,但不拴接。已知a小球的质量为m,b小球的质量为2m,同时释放两小球,且要求a、b都能通过两圆轨道的最高点,则弹簧在释放前至少具有多大的弹性势能?
正确答案
解:设a、b球被弹簧弹开的瞬时速度为、
,
,
故当b球恰能通过最高点时,a球能通过最高点。此时弹簧弹性势能最小。
设b球恰能达到最高点的速度为vb,对于b球,由机械能守恒定律可得
所以弹性势能最小值是
由以上各式解得。
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