- 机械能守恒定律
- 共29368题
(12分)学校举行遥控赛车(可视为质点)比赛.比赛路径如图所示,赛车从起点A出发,赛车以额定功率P=2.0w沿水平直线轨道运动,过B点进入半径为R=0.4m的光滑竖直圆轨道,离开竖直圆轨道后继续沿光滑平直轨道运动,然后冲上光滑斜坡,最后从C点水平飞出落到水平轨道的D点.已知赛车质量m=0.1kg,,已知赛车在AB段运动中所受阻力f恒为0.2N.(取g=10m/s2)求:
(1)如果水平直线轨道AB足够长,求赛车运动过程中的最大速度Vm ;
(2)如果水平直线轨道AB长L=10m,要让赛车从竖直圆轨道E点通过,赛车从A点开始至少需工作多长时间;
(3) 如果赛车以最大速度冲过B点,绕过竖直圆轨道后到达C点,C点高度可调,那么赛车落地点D离飞出点C的最大水平位移多大?
正确答案
(1)(2)v1=
m/s(3)
试题分析:(1)赛车只能在水平轨道AB上加速,其它路段由于是光滑赛车的牵引力是不做功的,
所以当赛车在水平轨道AB上运动牵引力等于阻力时速度最大 (2分)
(2)、设赛车到达B点的速度为v1,到达圆轨道最高点E的速度为v2,由牛顿第二定律及机械能守恒定律得: ①(1分)
②(2分)
由于赛车以额定功率工作时间最短,为最短时间为t,根据动能定理:
③(2分)
由①②③可得t="1.5s" (1分)
v1=m/s
( 由于 v1=m/s,在t="1.5s" 时赛车还未到达B点,所以③式成立,不说明不扣分 )
(3)设C点高度为h,赛车到达C点速度为v3 由机械能守恒可得:
(2分)
解得
由平抛知识得: (1分)
水平位移 (1分)
所以当时 x最大 (1分),
最大值是 (1分)
点评:关键要将物体的运动分为三个过程,分析清楚各个过程的运动特点和受力特点,然后根据动能定理、平抛运动公式、向心力公式列式求解!
如图所示,两平行光滑的金属导轨MN、PQ固定在水平面上,相距为L,处于竖直向下的磁场中整个磁场由n个宽度皆为x0的条形匀强磁场区域1、2、…、n组成,从左向右依次排列,磁感应强度的大小分别为B、2B、3B、…、nB,两导轨左端MP间接入电阻R,一质量为m的金属棒ab垂直于MN、PQ放在水平导轨上,与导轨电接触良好,不计导轨和金属棒的电阻。
⑴对导体棒ab施加水平向右的力,使其从图示位置开始运动并穿过n个磁场区,求导体棒穿越磁场区1的过程中通过电阻R的电荷量q;
⑵对导体棒ab施加水平向右的恒力F0,让它从磁场区1左侧边界处开始运动,当向右运动距时做匀速运动,求棒通过磁场区1所用的时间t;
⑶对导体棒ab施加水平向右的拉力,让它从距离磁场区1左侧x= x0的位置由静止开始做匀加速运动,当棒ab进入磁场区1时开始做匀速运动,此后在不同的磁场区施加不同的拉力,使棒ab保持做匀速运动穿过整个磁场区,求棒ab通过第i磁场区时的水平拉力Fi和棒ab在穿过整个磁场区过程中回路产生的电热Q。
正确答案
⑴;⑵
;⑶
试题分析:⑴电路中产生的感应电动势。通过电阻
的电荷量
。
导体棒穿过1区过程。解得
(2)棒匀速运动的速度为v,则
设棒在前x0/2距离运动的时间为t1,则
由动量定律:F0 t1-BqL=mv;解得:
设棒在后x0/2匀速运动的时间为t2,则
所以棒通过区域1所用的总时间:
(3)进入1区时拉力为,速度
,则有
。
解得;
。进入i区时的拉力
。
导体棒以后通过每区都以速度做匀速运动,由功能关系有
解得。
如图所示,光滑的水平面上有质量为M的滑块,其中AB部分为光滑的1/4圆周,半径为r,BC水平但不光滑,长为。一可视为质点的质量为m的物块,从A点由静止释放,最后滑到C点静止,求物块与BC的滑动摩擦系数。
正确答案
r /
根据能量守恒,可知小球的重力势能全部转化为内能,即,所以块与BC的滑动摩擦系数
故答案为
如图,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,自然状态时其右端位于B点.水平桌面右侧有一竖直放置的轨道MNP,其形状为半径R=1.0m的圆环剪去了左上角120°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离是h=2.4m.用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点.用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点释放,物块过B点后做匀变速运动其位移与时间的关系为s=6t-2t2,物块飞离桌面后恰好由P点沿切线落入圆轨道.(不计空气阻力,g取10m/s2,sin60°=,cos60°=
)
求:(1)物块m2过B点时的瞬时速度vB及与桌面间的滑动摩擦因数μ.
(2)若轨道MNP光滑,小球经过轨道最低点N时对轨道的压力FN.
(3)若小球刚好能到达轨道最高点M,则释放后m2运动过程中克服摩擦力做的功W.
正确答案
(1)m2过B点后遵从:s=6t-2t2,
由此可知,vB=6m/s,a=-4m/s2.
由牛顿第二定律得:μmg=ma,解得:μ=0.4;
(2)小球离开桌面后做平抛运动,
在竖直方向上:h==2.4m,
P点速度在竖直方向的分量:
vy=vDtan60°=4m/s,
解得离开D点的速度为vD=4m/s,
由机械能守恒定律得:mvN2=
mvD2+mg(h+R-Rcosθ),
解得:vN2=74m2/s2,
在N点,由牛顿第二定律得:
FN′-mg=m,解得:FN′=42N,
由牛顿第三定律得,压力:F=F'=42N,方向竖直向下.
(3)小球刚好能到达M点,
由牛顿第二定律得:mg=m,
小球到达P点的速度vP==8m/s.
从P到M点,由动能定理得:
-mgR(1+cosθ)-WPM=mvM2+-
mvP2,解得:WPM=2.4J;
从B到D点,由动能定理得:-WBD=mvD2-
mvB2,解得:WBD=2J;
从C到B点,由动能定理得:EP=μm1gxCB,EP=μm2gxCB+m2vB2,
解得:3μm2gxCB=m2vB2,WCB=3μm2gxCB=1.2J,
则释放后m2运动过程中克服摩擦力做的功为:
W=WCB+WBD+WPM=1.2J+2J+2.4J=5.6J;
答:(1)物块m2过B点时的瞬时速度vB为6m/s,与桌面间的滑动摩擦因数为0.4.
(2)若轨道MNP光滑,小球经过轨道最低点N时对轨道的压力为42N方向竖直向下.
(3)若小球刚好能到达轨道最高点M,则释放后m2运动过程中克服摩擦力做的功为5.6J.
物体A放在光滑倾角37°的斜面上,与半径为r的圆柱体B用跨过定滑轮的细线相连接,半径为R的圆柱体C穿过细绳后搁在B上,三个物体的质量分别为mA=2kg,mB=mC=1kg.现让它们由静止开始运动,B下降h1=0.5m后,C被内有圆孔(半径为R′)的支架D挡住(r<R′<R),而B穿过圆孔继续下降,(滑轮的摩擦、细线和C之间的摩擦以及空气阻力均不计,且斜面足够长.g取10m/s2.)试求:
(1)圆柱体BC到达支架D时的速度;
(2)物体A在斜面上上滑的最大高度?
正确答案
(1)对系统运用动能定理得,(mB+mC)gh1-mAgh1sinθ=(mA+mB+mC)v2
代入数据得,(1+1)×10×0.5-2×10×0.5×0.6=×(2+1+1)v2
解得v=m/s.
(2)对A、B系统运用动能定理得,mBgh2-mAgh2sinθ=0-(mA+mB)v2v2
代入数据得,1×10×h2-2×10×h2×0.6=0-×(2+1)×(
)2
解得h2=1.5m
上滑的最大高度h=(h1+h2)sinθ
解得h=1.2m.
答:(1)圆柱体BC到达支架D时的速度为m/s;(2)物体A在斜面上上滑的最大高度为1.2m.
[选做题]]如图所示,两根正对的平行金属直轨道MN、M´N´位于同一水平面上,两轨道之间的距离l=0.50m.轨道的MM′端之间接一阻值R=0.40Ω的定值电阻,NN′端与两条位于竖直面内的半圆形光滑金属轨道NP、N′P′平滑连接,两半圆轨道的半径均为R0=0.50m.直轨道的右端处于竖直向下、磁感应强度B=0.64T的匀强磁场中,磁场区域的宽度d=0.80m,且其右边界与NN′重合.现有一质量m=0.20kg、电阻r=0.10Ω的导体杆ab静止在距磁场的左边界s=2.0m处.在与杆垂直的水平恒力F=2.0N的作用下ab杆开始运动,当运动至磁场的左边界时撤去F,结果导体ab恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点PP′.已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好,且始终与轨道垂直,导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数μ=0.10,轨道的电阻可忽略不计,取g=10m/s2,求:
(1)导体杆刚进入磁场时,通过导体杆上的电流大小和方向;
(2)导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量;
(3)导体杆穿过磁场的过程中整个电路产生的焦耳热.
正确答案
(1)设导体杆在 F 的作用下运动到磁场的左边界时的速度为v1,
根据动能定理则有(F-μmg)s=mv12
导体杆刚进入磁场时产生的感应电动势 E=Blv1
此时通过导体杆的电流大小 I==3.8A(或3.84A)
根据右手定则可知,电流方向为 b 向 a.
(2)设导体杆在磁场中运动的时间为 t,产生的感应电动势的平均值为 ,
则由法拉第电磁感应定律有=
=
通过电阻 R 的感应电流的平均值为=
通过电阻 R 的电荷量 q= t=0.51C
(3)设导体杆离开磁场时的速度大小为v2,运动到圆轨道最高点的速度为v3,
因导体杆恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点,根据牛顿第二定律,
对导体杆在轨道最高点时有 mg=
对于导体杆从NN′运动至 PP′的过程,根据机械能守恒定律有
mv22=
mv32+mg2R0 解得 v2=5.0m/s
导体杆穿过磁场的过程中损失的机械能△E=mv12-
mv22=1.1J
此过程中电路中产生的焦耳热为 Q=△E-μmgd=0.94J.
答:(1)导体杆刚进入磁场时,通过导体杆上的电流大小为3.8A,方向为 b 向 a;
(2)导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量为0.51C;
(3)导体杆穿过磁场的过程中整个电路产生的焦耳热为0.94J.
[选做题]]如图所示,两根正对的平行金属直轨道MN、M´N´位于同一水平面上,两轨道之间的距离l=0.50m.轨道的MM′端之间接一阻值R=0.40Ω的定值电阻,NN′端与两条位于竖直面内的半圆形光滑金属轨道NP、N′P′平滑连接,两半圆轨道的半径均为R0=0.50m.直轨道的右端处于竖直向下、磁感应强度B=0.64T的匀强磁场中,磁场区域的宽度d=0.80m,且其右边界与NN′重合.现有一质量m=0.20kg、电阻r=0.10Ω的导体杆ab静止在距磁场的左边界s=2.0m处.在与杆垂直的水平恒力F=2.0N的作用下ab杆开始运动,当运动至磁场的左边界时撤去F,结果导体ab恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点PP′.已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好,且始终与轨道垂直,导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数μ=0.10,轨道的电阻可忽略不计,取g=10m/s2,求:
(1)导体杆刚进入磁场时,通过导体杆上的电流大小和方向;
(2)导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量;
(3)导体杆穿过磁场的过程中整个电路产生的焦耳热.
正确答案
(1)设导体杆在 F 的作用下运动到磁场的左边界时的速度为v1,
根据动能定理则有(F-μmg)s=mv12
导体杆刚进入磁场时产生的感应电动势 E=Blv1
此时通过导体杆的电流大小 I==3.8A(或3.84A)
根据右手定则可知,电流方向为 b 向 a.
(2)设导体杆在磁场中运动的时间为 t,产生的感应电动势的平均值为 ,
则由法拉第电磁感应定律有=
=
通过电阻 R 的感应电流的平均值为=
通过电阻 R 的电荷量 q= t=0.51C
(3)设导体杆离开磁场时的速度大小为v2,运动到圆轨道最高点的速度为v3,
因导体杆恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点,根据牛顿第二定律,
对导体杆在轨道最高点时有 mg=
对于导体杆从NN′运动至 PP′的过程,根据机械能守恒定律有
mv22=
mv32+mg2R0 解得 v2=5.0m/s
导体杆穿过磁场的过程中损失的机械能△E=mv12-
mv22=1.1J
此过程中电路中产生的焦耳热为 Q=△E-μmgd=0.94J.
答:(1)导体杆刚进入磁场时,通过导体杆上的电流大小为3.8A,方向为 b 向 a;
(2)导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量为0.51C;
(3)导体杆穿过磁场的过程中整个电路产生的焦耳热为0.94J.
雪橇是一种深受青少年喜爱的雪上运动器材.在一次滑雪运动中,某同学坐在雪橇上,从静止开始沿着高度为15m的斜坡滑下,到达底部时速度为10m/s,人和雪橇的总质量为60kg.已知g=10m/s2.求:
(1)下滑过程中,合外力对人和雪橇做的功;
(2)下滑过程中,人和雪橇克服阻力做的功.
正确答案
(1)以人和雪橇整体为研究对象,对于下滑过程,根据动能定理得:
W合=m
-
m
代入数据可得:=3000J;
(2)以人和雪橇整体为研究对象:=WG+Wf=mgh+Wf;
代入数据得:Wf=-6000J
所以,克服摩擦力做的功为6000J.
答:
(1)下滑过程中,合外力对人和雪橇做的功是3000J;
(2)下滑过程中,人和雪橇克服阻力做的功是6000J.
用竖直向上大小为30N的力F,将质量为2kg的物体从地面由静止提升,物体上升2m后撤去力F,经一段时间后,物体落回地面.若忽略空气阻力,g取10m/s2.求:
(1)拉力F做的功;
(2)物体上升2m时的动能;
(3)物体刚落回地面时的速度.
正确答案
(1)拉力的功为:WF=Fh1=30×2J=60J
(2)从物体静止上升2m,由动能定理:WF-mgh=Ek-0
解得:Ek=60-2×10×2=20J
(3)对全过程,由动能定理:WF=mv2-0
解得:v==
=2
m/s,方向竖直向下
答:(1)拉力的功为60J;
(2)上升2m后的动能为20J;
(3)物体落回地面时的速度为2m/s.
2012年11月,“歼15”舰载机在“辽宁号”航空母舰上着舰成功.图1为利用阻拦系统让舰载机在飞行甲板上快速停止的原理示意图.飞机着舰并成功钩住阻拦索后,飞机的动力系统立即关闭,阻拦系统通过阻拦索对飞机施加一作用力,使飞机在甲板上短距离滑行后停止.若航母保持静止,在某次降落中,以飞机着舰为计时起点,飞机的速度随时间变化关系如图2所示.飞机在t1=0.4s时恰好钩住阻拦索中间位置,此时速度v1=70m/s;在t2=2.4s时飞机速度v2=10m/s.飞机从t1到t2的运动可看成匀减速直线运动.设飞机受到除阻拦索以外的阻力f大小不变,f=5.0×104N,“歼15”舰载机的质量m=2.0×104kg.
(1)若飞机在t1时刻未钩住阻拦索,仍立即关闭动力系统,仅在阻力f的作用下减速,求飞机继续滑行的距离(假设甲板足够长);
(2)在t1至t2间的某个时刻,阻拦索夹角α=120°,求此时阻拦索中的弹力T;
(3)飞机钩住阻拦索后在甲板上滑行的距离比无阻拦索时少s=898m,求从t2时刻至飞机停止,阻拦索对飞机做的功W.
正确答案
(1)飞机仅在阻力f的作用下做匀减速直线运动,
由动能定理得:-fx=0-mv12,
解得:x=980m;
(2)由v-t图象可知,飞机加速度:
a==
=-30m/s2,
加速度大小为30m/s2,
对飞机,由牛顿第二定律得:2Tcos+f=ma,
解得:T=5.5×105N;
(3)无阻拦索时,飞机需滑行x=980m,
有阻拦索时,飞机实际滑行距离:x′=x-s=82m,
由图象面积可知,从t1时刻至t2时刻,飞机的位移为s1=80m,
从t2时刻至飞机停止,飞机的位移为s2=2m,
从t2时刻至飞机停止,由动能定理得:
W-fs2=0-mv22,
解得:W=-9×105J.
答:(1)飞机继续滑行的距离为980m.
(2)此时阻拦索中的弹力为5.5×105N;
(3)阻拦索对飞机做的功为-9×105J.
在水平面上建立x轴,在过原点O垂直于x轴的平面的右侧空间有一匀强电场,电场强度E=6.0×105N/C,方向与x轴方向相同.在O处放一带电荷量q=-5.0×10-8C,质量m=1.0×10-2kg的绝缘物块,物块与水平面间的动摩擦因数µ=0.20,沿x轴正方向给物块一个V0=2.0m/s的初速度,如图所示,求物块最终停止的位置.(g取10m/s2)
正确答案
对物块由初速度v0=2.0m/s到第一次停止过程由动能定理列方程:
-(qE+μmg)x=0-mv02
代入数据解得:x==
=0.4m
由于qE>μmg,所以物体将先向左做加速运动,过边界后做减速运动,设过边界后最终停在O点左方X1的位置,对物块从第一次停止到停在O点左方x1的位置过程由动能定理得:
qEx-μmg(x+x1)=0
解得:x1=-x=
-0.4=0.2m
答:物块最终停止时的位置物块最终停止时的位置O点左方0.2m.
(16分) 如图所示,一个圆弧形光滑轨道ABC,放置在竖直平面内,轨道半径为R,在A点与水平地面AD相接,地面与圆心O等高,MN是放在水平地面上长为3R、厚度不计的垫子,左端M正好位于A点.将一个质量为m的小球从A处正上方某处由静止释放,不考虑空气阻力,若小球能从C点射出并打到垫子上,小球距离A点的高度在什么范围.
正确答案
小球能通过C点,在C点最小速度v满足:
(3分)
小球离开C点做平抛运动,落到M点时间t为:
(2分)
此时水平距离:x=vt=>R 小球能落在垫子上(2分)
小球在C点的最大速度为:
(2分)
设小球距离A点的高度为h,则小球运动至C的过程中,
(4分)
由上可知,要使小球落在垫子上: (1分)
解得: (2分)
如图所示,在光滑绝缘水平面上,质量为m的均匀绝缘棒AB长为L、带有正电,电量为Q且均匀分布。在水平面上O点右侧有匀强电场,场强大小为E,其方向为水平向左,BO距离为x0,若棒在水平向右的大小为QE/4的恒力作用下由静止开始运动。求:
(1)棒的B端进入电场L/8时的加速度大小和方向;
(2)棒在运动过程中的最大动能。
(3)棒的最大电势能。(设O点处电势为零)
正确答案
(1),方向向右(2)
(3)x0=L,;当x0
;当x0>L,
试题分析:
解:(1)根据牛顿第二定律,得
,方向向右。
(2)设当棒进入电场x时,其动能达到最大,则此时棒受力平衡,有
得 x=L/4,
由动能定理:
(3)棒减速到零时,棒可能全部进入电场,也可能不能全部进入电场,设恰能全部进入电场,则有:, 得x0=L;
当x0
解之得:
当x0>L,棒能全部进入电场,设进入电场x
得:
点评:理解电场力及电场力做功特点,培养运用数学知识解决问题的能力。
如图所示,一质量为m的物块从倾角为60°的斜面上的A点由静止释放,下滑到B点时与挡板碰撞,碰撞后物块以碰前的速率反弹沿斜面向上滑动.若物块与斜面间的动摩擦因数μ=0.1,AB=1.73 m.
(1)试分析物块最终停在何处;
(2)求物块在全过程中运动的路程.
正确答案
解:
(1)物块下滑过程中克服摩擦力做功,一部分机械能转化为内能,反弹后继续上升,上升过程中仍克服摩擦力做功,机械能继续减少,物块上升到最高点的高度小于下滑时的高度.之后,物块再下滑重复上一过程,但返回到最高点的高度继续减小,最终物块停在挡板处.
(2)在物块运动的全过程中,重力做功WG=mgsin60°(与路径无关).滑动摩擦力做的功等于物块受到的滑动摩擦力(Fμ=μmgcos60°)与运动路程的乘积,即W1=-μmglcos60°.物块由初态的静止到最终静止,动能的变化△Ek =0.
对物块运动的全过程运用动能定理得
mgsin60°-μmglcos60°=0.
所以物块在全过程中运动的路程
如图所示AB为半径R=1m四分之一光滑绝缘竖直圆弧轨道,在四分之一圆弧区域内存在着E=1×V/m竖直向上的匀强电场,有一质量m=lkg带电量q=1.4×
C正电荷的物体(可视为质点),从A点的正上方距离A点H处由静止开始自由下落(不计空气阻力),BC段为长L=2m,与物体动摩擦因素
=0.2的粗糙绝缘水平面,CD段为倾角
=
且离地面DE高h=0.8m的斜面。求:
(1)若H=1m,物体能沿轨道AB到达最低点曰,求它到达B点时对轨道的压力大小?
(2)通过你的计算判断:是否存在某一H值,能使物体沿轨道AB经过最低点B后最终停在距离B点0.8m处?
(3)若高度H满足:,请通过计算标示出物体从C处射出后打到的范围。(已知
。不需要计算过程,但要具体的位置。不讨论物体的反弹以后的情况。)
正确答案
(1)8N;(2)不存在该H值;(3)在斜面上距离D点范围内或者在水平面距离上距离D点0.2m范围内
试题分析:(1)物体由静止运动到B点的过程中,根据动能定理:
到达B点以后由支持力,重力,电场力的合力提供向心力:
可以求得
根据牛顿第三定律,支持力与压力大小相等,方向相反,所以物体对轨道的压力大小为8N,方向竖直向下
(2)要使物体沿轨道AB到达最低点B,当支持力为0时,最低点有个最小速度v
可得:v=2m/s
在粗糙水平面滑行时的加速度a=μg=2m/s2
物体最终停止的位置距离B :
即物体能沿着轨道从A运动到B,停的位置最近离B点1m,所以不存在这样的H值
(3)在滑行过程中,若速度较小则平抛后会落在CD斜面上,若速度较大时,平抛后会落在DE斜面上。
在斜面上距离D点范围内(如图PD之间区域)
在水平面距离上距离D点0.2m范围内(如图DQ之间区域)
点评:此类题型结合了圆周运动、动能定理以及平抛知识,通过数理分析最终形成结论,要求较高。
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