- 机械能守恒定律
- 共8461题
荷兰科学家惠更斯在研究物体碰撞问题时做出了突出的贡献.惠更斯所做的碰撞实验可简化为:三个质量分别为m1、m2、m3的小球,半径相同,并排悬挂在长度均为L的三根平行绳子上,彼此相互接触.现把质量为m1的小球拉开,上升到H高处释放,如图所示,已知各球间碰撞时同时满足动量守恒定律和机械能守恒定律,且碰撞时间极短,H远小于L,不计空气阻力.
(1)若三个球的质量相同,则发生碰撞的两球速度交换,试求此时系统的运动周期.
(2)若三个球的质量不同,要使球1与球2、球2与球3相碰之后,三个球具有同样的动量,则m1:m2:m3应为多少?它们上升的高度分别为多少?
正确答案
(1)球1与球2、球2与球3碰撞后速度互换,球3以球1碰球2前瞬间的速度开始上升到H高处,然后再摆回来与球2、球2与球1碰撞,使球1上升到H高处,此后,系统做到周期性运动,则T1=T3=2π,T=
(T1+T3)
由此可知系统的运动周期为:T=2π
(2)由题意知三球碰后的动量均相同,设为p,
则Ek=,球2在与球3碰前具有动量2p,
根据机械能守恒定律,对于球2与球3碰撞的情况应有:=
+
由此得:m2:m3=3:1
球1与球2碰前的动量为3p,根据机械能守恒定律有:=
+
由此得:m1:m2=2:1
从而可得:m1:m2:m3=6:3:1
设三球碰后上升的高度分别为H1、H2、H3
球1碰前动能EK1=m1gH,又EK1=,∴H2=
球1碰后动能EK1=m1gH1,又EK1=,∴H2=
从而可得:H1=
同理可得:H2=
H3=4H
答:(1)若三个球的质量相同,则发生碰撞的两球速度交换,T=2π.
(2)若三个球的质量不同,要使球1与球2、球2与球3相碰之后,三个球具有同样的动量,则m1:m2:m3=6:3:1.
它们上升的高度分别为,
,4H.
如图所示,物块A的质量为1.5m,物块B、C的质量都是m,并都可看作质点.三物块用细线通过滑轮连接,物块B与物块C的距离和物块C到地面的距离都是L.现将物块A下方的细线剪断,若物块A距滑轮足够远且不计一切阻力,且物块C与地面碰撞后不反弹.
求:
(1)物块A上升时的最大速度;
(2)物块A上升的最大高度.
正确答案
(1)A、B、C三物块系统机械能守恒.B、C下降L,A上升L时,A的速度达最大.
2mgL-1.5mgL=•3.5mv2
解得:v=
当C着地后,A、B两物体系统机械能守恒,当B的速度为零时,B下落的位移为x,则有功能关系得:
mgx-1.5mgx=0-•2.5mv2
解得:x=<L
所以B与C没有发生碰撞,此时A上升到最高点,
则A上升的最大高度为:h=L+x=
答:(1)物块A上升时的最大速度为;
(2)物块A上升的最大高度为.
如图所示,质量为M=3kg的小车放在光滑的水平面上,在小车的最左端有一小物块,质量m=1kg,物块与小车间动摩擦因数为μ=0.5,竖直固定的挡板A下端离地面的高度略大于小车的高度.初始时,小车与物块一起以水平速度V0=2m/s向左运动,当物块运动到挡板A处时与挡板发生无机械能损失的碰撞,若小车足够长.求:
(1)物块与挡板第一次碰撞后,物块向右运动最大对地位移.
(2)物块第二次与挡板碰撞前,物块在木板上滑动的距离.
(3)物块与挡板第一次碰撞后到与车第一次共速的时间.
正确答案
(1)对物块:由动能定理有:μmgs=m
,
S=0.4m,
(2)第一次物块碰后左共共速,由系统动量和能量守恒得:Mv0-mv0=(M+m)v
(M+m)
=
(M+m)v2+μmgL
联立解得,物块在木板上滑动的距离为:
L=1.2m
(3)对木板,μmg=Ma
v=v0-at,
t=0.6s
答:(1)物块与挡板第一次碰撞后,物块向右运动最大对地位移为0.4m.
(2)物块第二次与挡板碰撞前,物块在木板上滑动的距离1.2m.
(3)物块与挡板第一次碰撞后到与车第一次共速的时间为0.6s.
下图为某小型企业的一道工序示意图,图中一楼为原料车间,二楼为生产车间.为了节约能源,技术人员设计了一个滑轮装置用来运送原料和成品,在二楼生产的成品装入A箱,在一楼将原料装入B箱,而后由静止释放A箱,若A箱与成品的总质量为M,B箱与原料的总质量为m(m<M),这样在A箱下落的同时会将B箱拉到二楼生产车间,当B箱到达二楼平台时可被工人接住,若B箱到达二楼平台时没有被工人接住的话,它可以继续上升h高度速度才能减小到零.不计绳与滑轮间的摩擦及空气阻力,重力加速度为g,求:
(1)一楼与二楼的高度差H;
(2)在AB箱同时运动的过程中绳对B箱的拉力大小.
正确答案
(1)B从地面对二楼平台的过程,对M、m组成的系统:MgH=mgH+(M+m)v2
对m上升的过程,由机械能守恒有:mgh=mv2
联立解得:H=
(2)在AB箱同时运动的过程中,根据牛顿第二定律得:
对M:Mg-F=Ma
对m:F-mg=ma
解得:F=
答:
(1)一楼与二楼的高度差H为;
(2)在AB箱同时运动的过程中绳对B箱的拉力大小为.
小亮观赏跳雪比赛,看到运动员先后从坡顶水平跃出后落到斜坡上.如图所示,某运动员的落地点B与坡顶A的距离L=75m,空中飞行时间t=3.0s.若该运动员的质量m=60kg,忽略运动员所受空气的作用力.重力加速度取g=10m/s2.
(1)求A、B两点的高度差h;
(2)求运动员落到B点时的动能EkB;
(3)小亮认为,无论运动员以多大速度从A点水平跃出,他们落到斜坡时的速度方向都相同.你是否同意这一观点?请通过计算说明理由.
正确答案
(1)A、B两点间的高度:h=gt2=
×10×32=45m;
(2)运动员做平抛运动,
水平方向:x==60m,
水平速度v0==
=20m/s,
竖直分速度vy=gt=10×3=30m/s,
运动员到达B点的速度:vB==
m/s,
到达B点的动能EK=mvB2=
×60×(
)2=3.9×104J;
(3)设斜面长为L,夹角为θ,运动员的竖直位移:
h=Lsinθ,水平位移x=Lcosθ,
运动员的运动时间h=gt2,t=
,
运动员落地时的水平分速度vx==
,
竖直分速度vy=gt=,
实际速度与水平方向夹角tanβ==2tanθ,
由此可知,速度方向与初速度无关,只与斜坡和水平面的夹角有关,
因此无论运动员以多大速度从A点水平跃出,他们落到斜坡时的速度方向都相同;
答:(1)A、B两点的高度差为45m;
(2)运动员落到B点时的动能为3.9×104J;
(3)运动员以不同速度从A点水平跃出,他们落到斜坡时的速度方向都相同.
如图所示在光滑水平面上有两个小木块A和B,其质量mA=1kg,mB=4kg,它们中间用一根轻弹簧相连.一颗水平飞行的子弹质量为m=50g,v0=500m/s的速度在极短的时间内射穿两木块,一直射穿A木块后子弹的速度变为原来的,且子弹穿A木块损失的动能是射穿B木块损失的动能的2倍.求:
(1)射穿A木块过程中系统损失的机械能;
(2)系统在运动过程中弹簧的最大弹性势能;
(3)弹簧再次恢复原长时木块A、B的速度的大小.
正确答案
(1)子弹穿过A时,子弹与A动量守恒,由动量守恒定律:m0v0=mAvA+m0v1
得:vA=10m/s
射穿A木块过程中系统损失的机械能△E=
1
2
m0v02-
1
2
m0v12-
1
2
mAvA2=3950J
(2)子弹穿过B时,子弹与B动量守恒,由动量守恒定律:m0v1=mBvB+m0v2
又由已知得:
1
2
m0v02-
1
2
m0v12=2(
1
2
m0v12-
1
2
m0v22)
得:vB=2.5m/s
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
由能量关系:EP=
1
2
mAvA2+
1
2
mBvB2-(mA+mB)v共2
得:EP=22.5J
(3)弹簧再次恢复原长时系统的动能不变,则有:
mAvA+mBvB=mAv′A+mBv′B
1
2
mAvA2+
1
2
mBvB2=
1
2
mAv′A2+
1
2
mBv′B2
解得:v′A==-2m/s
=5.5m/s
答:(1)射穿A木块过程中系统损失的机械能为3950J;
(2)系统在运动过程中弹簧的最大弹性势能为22.5J;
(3)弹簧再次恢复原长时木块A的速度大小为2m/s,B的速度的大小为5.5m/s.
如图所示,倾角为30°的光滑斜面,底端固定一沿斜面方向的弹簧.一质量为m的滑块将弹簧压缩到A点(滑块与弹簧不连接),此时弹簧的压缩量为△L.滑块在A点由静止释放,沿斜面滑过距离L时速度为0.求:
(1)滑块在A点时弹簧的弹性势能;
(2)滑块刚脱离弹簧时的速度.
正确答案
(1)滑块和弹簧组成的系统只有重力和弹簧弹力做功,系统机械能守恒,则有:
EP=mgLsin30°=mgL
(2)滑块和弹簧分离后做匀减速直线运动,a=gsin30°=g
根据位移速度公式得:2a(L-△L)=v2
解得:v=
答:(1)滑块在A点时弹簧的弹性势能为mgL;
(2)滑块刚脱离弹簧时的速度为.
如图是打秋千的示意图,最初人直立站在踏板上(A点所示),绳与竖直方向成角,人的重心到悬点O的距离为
;从A点向最低点B运动过程中,人由直立状态自然下蹲,在B点人的重心到悬点O的距离为
;在最低点处,人突然由下蹲变成直立状态(人的重心到悬点O的距离恢复为
)且保持该状态到最高点C.设人的质量为m,踏板和绳的质量不计,空气阻力不计.求:
小题1:人刚到最低点B还处于下蹲状态时,两根绳中的总拉力F为多大?
小题2:人到达左端最高点C时,绳与竖直方向的夹角为多大?(用反三角函数表示)
正确答案
小题1:
小题2:
小题1:如图,以悬点为参考平面,人从点的自然下蹲过程中机械能守恒,所以
,即
,解得:
在最低点B处,,解得:
小题2:人在最低点处,突然由下蹲变成直立状态,人的内力做功,使人的机械能增加,之后,人从
点的上摆过程中机械能守恒,所以
或
,即
,得:
(13分)如图所示,一轻绳绕过无摩擦的两个轻质小定滑轮O1、O2和质量mB=m的小球连接,另一端与套在光滑直杆上质量mA=m的小物块连接,已知直杆两端固定,与两定滑轮在同一竖直平面内,与水平面的夹角θ=60°,直杆上C点与两定滑轮均在同一高度,C点到定滑轮O1的距离为L,重力加速度为g,设直杆足够长,小球运动过程中不会与其他物体相碰.最初用手沿光滑直杆方向拉住小物块在如图所示的位置静止,现将小物块从C点由静止释放,
试求:(1)手沿杆的拉力要多大才能使小滑块在如图位置静止?;
(2)小物块能下滑的最大距离;
(3)小物块在下滑距离为L时的速度大小.(结果均可用根号表示)
正确答案
(1)mg(1/2 +√3 /2 )(2)(3)
试题分析:(1)F="mg(1/2" +√3 /2 )
(2)设小物块能下滑的最大距离为sm,由机械能守恒定律有
而
代入解得
(3)设小物块下滑距离为L时的速度大小为v,此时小球的速度大小为vB,则
解得
点评:解决本题的关键知道A、B组成的系统,只有重力做功,机械能守恒.对于单个物体,有拉力做功,机械能不守恒,以及知道A、B两物体的速度存在一定的关系.
.如图所示,将一颗小钢珠由静止释放到盛有蓖麻油的量筒中,下落不久钢珠就开始作匀速直线运动.(量筒中为什么不放清水而用蓖麻油?这是因为蓖麻油的密度虽小于清水,但它对钢珠产生的粘滞阻力却大大超过清水)
1845年英国物理学家和数学家斯·托克斯(S.G.Stokes)研究球体在液体中下落时,发现了液体对球体的粘滞阻力与球的半径、速度及液体的种类有关,有,其中物理量η为液体的粘滞系数,它与液体的种类及温度有关.钢珠在蓖麻油中运动一段时间后就以稳定的速度下落,这一速度称为收尾速度.
小题1:实验室的温度为20.0℃ 时,蓖麻油的粘滞系数为0.986,请写出它的单位.
小题2:若钢珠的半径为2.00㎜,钢珠的质量为,在蓖麻油中所受的浮力为
,求钢珠在蓖麻油中的收尾速度.
小题3:设量筒中蓖麻油的深度为H=40.0㎝,钢珠从液面无初速释放,下沉至刚要到达筒底时,因克服粘滞阻力而产生的热量为多少?
正确答案
小题1:
小题2:
小题3:
小题1:
因粘滞阻力,故有
,其单位应是
小题2:
钢珠稳定下落时,其所受向上粘滞阻力F与、mg平衡,有
得:
小题3:
根据总能量守恒的方法:
钢珠下落过程中损失的势能 转化为钢珠的动能
,以及与钢珠同样大小的油滴上升至液面处的动能
和势能
,还有钢珠克服粘滞阻力而产生的热量Q,其中油滴重力
.
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