- 机械能守恒定律
- 共29368题
如图所示,光滑水平面上静止放置着一辆平板车A。车上有两个小滑块B和C(都可视为质点),B与车板之间的动摩擦因数为μ,而C与车板之间的动摩擦因数为2μ。开始时B、C分别从车板的左、右两端同时以大小相同的初速度v0相向滑行。经过一段时间,C、A的速度达到相等,此时C和B恰好发生碰撞。已知C和B发生碰撞时两者的速度立刻互换,A、B、C三者的质量都相等,重力加速度为g。设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力。
(1)求开始运动到C、A的速度达到相等时的时间;
(2)求平板车平板总长度;
(3)已知滑块C最后没有脱离平板,求滑块C最后与车达到相对静止时处于平板上的位置。
正确答案
解:(1)设A、B、C三者的质量都为m,从开始到C、A的速度达到相等这一过程所需时间为t
对C,由牛顿定律和运动学规律有,
对A,由牛顿定律和运动学规律有,
,
联立以上各式联得
(2) 对C,
对B,由牛顿定律和运动学规律有,
,
C和B恰好发生碰撞,有
解得:
(3)对A,
A、B、C三者的位移和末速度分别为
(向左),
(向右),
(向左)
(向左),
(向右)
C和B发生碰撞时两者的速度立刻互换,则碰撞后C和B的速度各为(向右),
(向左)
碰撞后B和A的速度相等,设B和A保持相对静止一起运动,此时对B和A整体有
隔离B,则B受到的摩擦力为
可得,说明B和A保持相对静止一起运动
设C最后停在车板上时,共同的速度为vt,由动量守恒定律可得
可得vt=0
这一过程,对C,由动能定理有
对B和A整体,由动能定理有
解得C和A的位移分别是(向右),
(向左)
这样,C先相对于车板向左移动,然后又相对于车板向右移动
,恰好回到原来的位置,即滑块C最后停在车板右端
如图所示,AB为半径R=0.8m的1/4光滑圆弧轨道,下端B恰与平板小车右端平滑对接。小车质量M=3kg,车长L=2.06m。现有一质量m=1kg的小滑块,由轨道顶端无初速释放,滑到B端后冲上小车。已知地面光滑,滑块与小车上表面间的动摩擦因数μ=0.3,当车运行了1.5s时,车被地面装置锁定。求:(g=10 m/s2)
(1)滑块到达B端时,轨道对它支持力的大小;
(2)车被锁定时,车右端距轨道B端的距离;
(3)从车开始运动到被锁定的过程中,滑块与平板车构成的系统损失的机械能;
(4)滑块滑离车左端时的动能。
正确答案
解:(1)mgR=mv2
由牛顿第二定律和向心加速度公式,得N-mg=m
联立两式,代入数值得轨道对滑块的支持力:N=3mg=30 N
(2)当滑块滑上小车后,由牛顿第二定律,得
对滑块有:-μmg=ma1
对小车有:umg=Ma2
设经时间t两者达到共同速度,则有:v+a1t=a2t
解得t=1 s。由于1 s<1.5 s,此时小车还未被锁定,两者的共同速度:v′=a2t=1 m/s,因此,车被锁定时,车右端距轨道B端的距离:S=a2t2+v′t′=1 m
(3)从车开始运动到被锁定的过程中,滑块相对小车滑动的距离
ΔS=t-
a2t2=2 m
所以系统损失的机械能(产生的内能):E=μmgΔS=6 J
(4)对小滑块,由动能定理得 -μmg(L-ΔS)= EK-mv′2
EK =0.32 J
一传送带装置如图所示,其中AB段是水平的,长度LAB=4 m,BC段是倾斜的,长度lBC=5 m,倾角为θ=37°,AB和BC在B点通过一段极短的圆弧连接(图中未画出圆弧),传送带以v=4 m/s的恒定速率顺时针运转。已知工件与传送带间的动摩擦因数μ=0.5,重力加速度g取10 m/s2。现将一个工件(可看做质点)无初速度地放在A点,求:
(1)工件第一次到达B点所用的时间;
(2)工件沿传送带上升的最大高度;
(3)工件运动了23 s时所在的位置。
正确答案
解:(1)工件刚放在水平传送带上的加速度为a1
由牛顿第二定律得μmg=ma1,解得a1=μg=5 m/s2
经t1时间与传送带的速度相同,则t1==0.8 s;前进的位移为x1=
a1t12=1.6 m
此后工件将与传送带一起匀速运动至B点,用时t2==0.6 s
所以工件第一次到达B点所用的时间t=t1+t2=1.4 s
(2)设工件上升的最大高度为h,由动能定理得(μmgcosθ-mgsinθ)·=0-
mv2解得h=2.4 m
(3)工件沿传送带向上运动的时间为t3==2 s
此后由于工件在传送带的倾斜段运动时的加速度相同,在传送带的水平段运动时的加速度也相同,故工件将在传送带上做往复运动,其周期为T,T=2t1+2t3=5.6 s
工件从开始运动到第一次返回传送带的水平部分,且速度变为零所需时间t0=2t1+t2+2t3=6.2 s
而23 s=t0+3T,这说明经23 s工件恰好运动到传送带的水平部分,且速度为零。故工件在A点右侧,到A点的距离x=LAB-x1=2.4 m
A、B两个木块叠放在竖直轻弹簧上,如图所示,已知mA=mB=l kg,轻弹簧的劲度系数为100 N/m。若在木块A上作用一个竖直向上的力F,使木块A由静止开始以2m/s2的加速度竖直向上做匀加速运动。取g= 10 m/s2,求:
(1)使木块A竖直向上做匀加速运动的过程中,力F的最大值是多少?
(2)若木块A竖直向上做匀加速运动,直到A、B分离的过程中,弹簧的弹性势能减小了1.28 J,则在这个过程中,力F对木块做的功是多少?
正确答案
解:(1)F-mAg+FBA=mAa,所以FBA=0时,F最大,即Fm=mAg+mAa=12 N
(2)初始位置弹簧的压缩量
A、B分离时,FAB=0,以B为研究对象可得:
FN-mBg=mBa,FN=12 N
此时
A、B上升的高度:△x=x1-x2=0.08 m
A、B的速度
以A、B作为一个整体,由动能定理得
可得:WF=0.64 J
质量为m=1kg的小物块轻轻放在水平匀速运动的传送带上的P点,随传送带运动到A点后水平抛出,小物块恰好无碰撞的沿圆弧切线从B点进入竖直光滑圆孤轨道下滑.B、C为圆弧的两端点,其连线水平.已知圆弧半径R=1.0m圆弧对应圆心角θ=106°,轨道最低点为O,A点距水平面的高度h=0.8m.小物块离开C点后恰能无碰撞的沿固定斜面向上运动,0.8s后经过D点,物块与斜面间的滑动摩擦因数为μ=(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)试求:
(1)小物块离开A点的水平初速度v0;
(2)小物块经过O点时对轨道的压力;
(3)斜面上CD间的距离.
正确答案
(1)对小物块,由A到B有vy2=2gh
在B点tan=
所以v0=3m/s.
(2)对小物块,由B到O由动能定理可得:
mgR(1-sin37°)=m
-
m
其中vB==5m/s
在O点N-mg=m
所以N=43N
由牛顿第三定律知对轨道的压力为N′=43N
(3)物块沿斜面上滑:mgsin53°+μmgcos53°=ma1
所以a1=10m/s2
物块沿斜面下滑:mgsin53°-μmgcos53°=ma2 a2=6m/s2
由机械能守恒知vc=vB=5m/s
小物块由C上升到最高点历时t1==0.5s
小物块由最高点回到D点历时t2=0.8s-0.5s=0.3s
故SCD=t1-
a2
即SCD=0.98m.
答:(1)小物块离开A点的水平初速度v0=3m/s.
(2)小物块经过O点时对轨道的压力N'=43N
(3)斜面上CD间的距离SCD=0.98m
水上滑梯可简化成如图所示的模型,斜槽AB和光滑圆弧槽BC平滑连接,斜槽AB的竖直高度H=6.0m,倾角θ=37°。圆弧BC半径R=3.0m,末端C点的切线水平;C点与水平面的距离h=0.80m,人与AB间的动摩擦因数为μ=0.2。取重力加速度g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6。一个质量m=30kg的小朋友从滑梯顶端A点无初速地自由滑下,求:
(1)小朋友沿斜槽AB下滑时加速度a的大小;
(2)小朋友滑到C点时速度v的大小及滑到C点时受到槽面的支持力FC的大小;
(3)在从C点滑出至落到水面的过程中,小朋友在水平方向位移x的大小。
正确答案
(1)a=4.4 m/s2(2)VC=10m/s;FC=1300N
(3)x=4m
如图所示,质量分别为mA=3 kg,mB=1 kg的物块A,B置于足够长的水平面上,在F=13 N的水平推力作用下,一起由静止开始向右做匀加速运动,已知A,B与水平面间的动摩擦因数分别为μA=0.1,μB=0.2,取g=10 m/s2。则:
(1)物块A,B一起做匀加速运动的加速度为多大?
(2)物块A对物块B的作用力为多大?
(3)若物块A,B一起运动的速度v=10 m/s时,撤去水平力F,求此后物块B滑行过程中克服摩擦力做的功。
正确答案
解:(1)设物块A、B一起做匀加速运动的加速度为a,则
F-μAmAg-μBmBg=(mA+mB)a
代入数据解得a=2 m/s2(2)设物块A对物块B的作用力大小为F',则
F'-μBmBg=mBa
代入数据解得F'=4 N
(3)撤去水平力F后,物块A,B一起做减速运动,设滑行距离为x,B滑行过程中克服摩擦力做的功为Wf,则
Wf=μBmBgx
代入数据解得Wf=80 J
如图所示,一根长L=1.5 m的光滑绝缘细直杆MN,竖直固定在场强为E=1.0×105 N/C、与水平方向成θ=30°角的倾斜向上的匀强电场中。杆的下端M固定一个带电小球A,电荷量Q=+4.5×10-6 C;另一带电小球B穿在杆上可自由滑动,电荷量q=+1.0×10一6 C,质量m=1.0×10一2 kg。现将小球B从杆的上端N静止释放,小球B开始运动。(静电力常量k=9.0×109 N·m2/C2,取g=10 m/s2)
(1)小球B开始运动时的加速度为多大?
(2)小球B的速度最大时,距M端的高度h1为多大?
(3)小球B从N端运动到距M端的高度h2=0.61 m时,速度为v=1.0 m/s,求此过程中小球B的电势能改变了多少?
正确答案
解:(1)开始运动时小球B受重力、库仑力、杆的弹力和电场力,沿杆方向运动,由牛顿第二定律得:
解得:
代入数据解得:a=3.2 m/s2
(2)小球B速度最大时合力为零,即
解得:
代入数据解得:h1=0.9 m
(3)小球B从开始运动到速度为v的过程中,设重力做功为W1,电场力做功为W2,库仑力做功为W3,根据动能定理有:
解得:
设小球B的电势能改变了△Ep,则:
解得:
如图甲,在水平地面上固定一倾角为θ的光滑绝缘斜面,斜面处于电场强度大小为E、方向沿斜面向下的匀强电场中。一劲度系数为k的绝缘轻质弹簧的一端固定在斜面底端,整根弹簧处于自然状态。一质量为m、带电量为q(q>0)的滑块从距离弹簧上端为s0处静止释放,滑块在运动过程中电量保持不变,设滑块与弹簧接触过程没有机械能损失,弹簧始终处在弹性限度内,重力加速度大小为g。
(1)求滑块从静止释放到与弹簧上端接触瞬间所经历的时间t1;
(2)若滑块在沿斜面向下运动的整个过程中最大速度大小为vm,求滑块从静止释放到速度大小为vm过程中弹簧的弹力所做的功W;
(3)从滑块静止释放瞬间开始计时,请在乙图中画出滑块在沿斜面向下运动的整个过程中速度与时间关系v-t图象。图中横坐标轴上的t1、t2及t3分别表示滑块第一次与弹簧上端接触、第一次速度达到最大值及第一次速度减为零的时刻,纵坐标轴上的v1为滑块在t1时刻的速度大小,vm是题中所指的物理量。(本小题不要求写出计算过程)
正确答案
解:(1)滑块从静止释放到与弹簧刚接触的过程中作初速度为零的匀加速直线运动,设加速度大小为a,则有
qE+mgsin=ma ①
②
联立①②可得 ③
(2)滑块速度最大时受力平衡,设此时弹簧压缩量为,则有
④
从静止释放到速度达到最大的过程中,由动能定理得
⑤
联立④⑤可得s
(3)如图
从地面上以初速度v0竖直向上抛出一质量为m的球,若运动过程中受到的空气阻力与其速率成正比关系,球运动的速率随时间变化规律如图所示,t1时刻到达最高点,再落回地面,落地时速率为v1,且落地前球已经做匀速运动。求:
(1)球从抛出到落地过程中克服空气阻力所做的功;
(2)球抛出瞬间的加速度大小;
(3)球上升的最大高度H。
正确答案
解:(1)由动能定理得
克服空气阻力做功
(2)空气阻力f=kv
落地前匀速运动,则mg-kv1=0
刚抛出时加速度大小为a0,则mg+kv0=ma0
解得
(3)上升时加速度为a,-(mg+kv)=ma
取极短△t时间,速度变化△v,有:
又
上升全程
则
如图所示,一质量为m=1 kg的小物块轻轻放在水平匀速运动的传送带上的A点,随传送带运动到B点,小物块从C点沿圆弧切线进入竖直光滑的半圆轨道恰能做圆周运动.已知圆弧半径R=0.9m,轨道最低点为D,D点距水平面的高度h=0.8m.小物块离开D点后恰好垂直碰击放在水平面上E点的固定倾斜挡板.已知物块与传送带间的动摩擦因数μ=0.3,传送带以5 m/s恒定速率顺时针转动(g取10 m/s2),试求:
(1)传送带AB两端的距离;
(2)小物块经过D点时对轨道的压力的大小;
(3)倾斜挡板与水平面间的夹角θ的正切值.
正确答案
解:(1)对小物块,在C点恰能做圆周运动,由牛顿第二定律得:
则
由于,小物块在传送带上一直加速,则由A到B有
,
所以传送带AB两端的距离=1.5m
(2)对小物块,由C到D有
在D点FN-mg=,代入数据解得FN=60N
由牛顿第三定律知小物块对轨道的压力大小为
(3)小物块从D点抛出后做平抛运动,则,解得t=0.4s
将小物块在E点的速度进行分解得
如图所示,水平光滑地面上停放着一辆小车,左侧靠在竖直墙壁上,小车的四分之一圆弧轨道AB光滑,在最低点B与水平轨道BC相切,BC的长度L=2m,圆弧半径R=1m,整个轨道处于同一竖直平面内。可视为质点的物块从C点以8m/s初速度向左运动,物块与BC部分的动摩擦因数μ=0.7,已知物块质量为m=1kg,小车的质量M=3.5kg。(g=10m/s2)求:
(1)物块到达圆轨道最低点B时对轨道的压力,及离开B点上升的最大高度;
(2)物块滑回B点后再经多长时间离开小车,车运动的最大速度。
正确答案
解:(1)物块由C 到B 的过程对物块由动能定理得:
据牛顿第二定律:
由牛顿第三定律,
N
由机械能守恒定律:
解得:m
(2)设物块滑回B点至轨道末端C处分离用时t
对滑块由牛顿第二定律
对小车有:
解得:s
分离时小车速度最大
解得:.33m/s
一固定的斜面,倾角为45°,斜面长L=2.0米,在斜面下端有-与斜面垂直的挡板.一质量为m的滑块,从斜面的最高点沿斜面下滑,初速度为零.滑块沿斜面下滑到斜面最低端与挡板发生弹性碰撞(碰撞前后能量没有损失).已知滑块与斜面间的滑动摩擦系数μ=0.2.试求:
(1)滑块与挡板发生第1次碰撞时的速度大小及反弹后上升的最大距离?
(2)此滑块从开始运动到与挡板发生第5次碰撞前的过程中运动的总路程.
正确答案
(1)由动能定理得mgLsinθ-fL=mv12-0①
且f=μmgcosθ ②
由①②得
v1==
m/s=4.8m/s
滑块向上运动由动能定理得-mgL1sinθ-fL1=0-mv12 ③
由方程①②③得=
=
所以反弹后上升的最大距离为×2=1.33m
(2)令α==
,则L1=αL
同理第2次碰撞后上升的距离为L2=αL1=α2L
第3次碰撞后上升的距离为L3=αL2=α3L
…
第1次碰撞前通过的路程s1=L
第2次碰撞前通过的路程s2=L+2L1=L+2αL
第3次碰撞前通过的路程s3=L+2L1+2L2=L+2αL+2α2L
…
第5次碰撞前通过的路程S5=L+2αL+2α2L+2α3L+2α4L=L(1+2α())
代入数值得s5=8.42 m
答:(1)滑块与挡板发生第1次碰撞时的速度大小为4.8m/s,反弹后上升的最大距离为1.33m;
(2)此滑块从开始运动到与挡板发生第5次碰撞前的过程中运动的总路程为8.42m.
如图所示,质量m=2.0kg的木块静止在高h=1.8m的水平台上,木块距平台右边缘7.75m,木块与平台间的动摩擦因数μ=0.2。用水平拉力F=20N拉动木块,木块向右运动4.0m时撤去F。不计空气阻力,g取10m/s2。求:
(1)F作用于木块的时间;
(2)木块离开平台时的速度大小;
(3)木块落地时距平台边缘的水平距离。
正确答案
解:(1)对木块进行受力分析,根据牛顿运动定律:
代入数据得:
m/s2,
s
(2)设木块出平台时的速度为v,木块从静止到飞出平台过程中,根据动能定理:
代入数据得:v=7.0m/s
(3)设木块在空中运动的时间为t′,落地时距平台边缘的水平距离为s′,根据运动学公式:
代入数据:t′=0.6s,s′=4.2m
如图所示,传送带的水平部分长为=5m,以0=4m/s的速度顺时针转动,水平台面与传送带平滑连接于点,长=1m,台面右边有高为=0.5m的光滑曲面,与部分相切于点。一质量=1kg的工件(视为质点),从点无初速度释放,工件与传送带及台面间的动摩擦因数均为μ=0.2,=10m/s2,求
(1)工件运动到点时的速度大小;
(2)通过计算说明,工件能否通过点到达平台上。
正确答案
解:(1)工件刚放上时,做初速度为零的匀加速直线运动,由牛顿第二定律得:
=,解得:=2m/s2当两者速度相等时,
工件对地的位移为:<L
因此,工件到达点的速度为:B=4m/s
(2)设工件沿曲面上升的最大高度为′
由动能定理得:1-
-′=0
解得′=0.6m>所以,工件能够通过点到达平台上
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