- 机械能守恒定律
- 共29368题
如图所示,水平向右的匀强电场场强为E,有一绝缘轻细杆长为l,一端可绕O点在竖直面内无摩擦转动,另一端粘有一带正电荷的小球,电量为q,质量为m,将小球拉成与O点等高的A点后自由释放,求:
(1)小球从A释放到达最低点B电势能变化了多少?
(2)小球到达最低点B时绝缘杆给小球的力.
正确答案
(1)从A到B,电场力做正功W=qEL,所以电势能减少了qEL
(2)从A到B,由动能定理得:
MgL+qEL=
在B点牛顿第二定律F-mg=
解得小球到达最低点B时绝缘杆给小球的力:F=3mg+2qE
我国的“嫦娥奔月”月球探测工程已经启动,分“绕、落、回”三个发展阶段:在2007年已发射一颗围绕月球飞行的卫星,计划在2012年前后发射一颗月球软着陆器,在2018年后发射一颗返回式月球软着陆器,进行首次月球样品自动取样并安全返回地球.设想着陆器完成了对月球表面的考察任务后,由月球表面回到围绕月球做圆周运动的轨道舱.如图所示,假设返回的着陆器质量为m,月球表面的重力加速度为g,月球的半径为R,轨道舱到月球的中心距离为r,已知着陆器从月球表面返回轨道舱的过程中需克服月球的引力做功W=mgR(1-R/r).不计月球表面大气对着陆器的阻力和月球自转的影响,则返回的着陆器至少需要获得多少能量才能返回轨道舱?
正确答案
设月球的质量为M,着陆器的质量为m,轨道舱的质量为m0
着陆器在月球表面上的重力等于万有引力:mg=G
轨道舱绕月球做圆周运动:G=m0
着陆器与轨道舱对接时的动能:Ek=mv2
着陆器返回过程中需克服引力做功:W=mgR(1-).
着陆器返回过程中至少需要获得的能量:E=Ek+W
联解可得:E=mgR(1-).
答:返回的着陆器至少需要获得mgR(1-)能量才能返回轨道舱
如图所示,绝缘光滑半圆环轨道(半径为R)放在竖直向下的匀强电场中,场强为E.在与环心等高处放有一质量为m,带电+q的小球,由静止开始沿轨道运动,则:小球经过环的最低点时的动能为______
小球经过环的最低点时对轨道压力为______.
正确答案
小球从静止到最低点的运动过程,根据动能定理得:
mgR+qER=mv2
得:v2=2(mgR+qER)
动能为Ek=mv2=mgR+qER
对小球在最低点受力分析,小球受重力、电场力和支持力,运用牛顿第二定律得:
FN-mg-qE=m
解得:FN=3(qE+mg)
根据牛顿第三定律得:小球经过环的最低点时对轨道压力为:FN′=FN=3(qE+mg).
故答案为:mgR+qER,3(qE+mg).
显像管是电视机的重要部件,在生产显像管的阴极时,需要用到去离子水.如果去离子水的质量不好,会导致阴极材料中含有较多的SO离子,用这样的阴极材料制作显像管,将造成电视机的画面质量变差.
显像管的简要工作原理如图所示:阴极K发出的电子(初速度可忽略不计)经电压为U的高压加速电场加速后,沿直线PQ进入半径为r的圆形匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面,圆形磁场区域的圆心O在PQ直线上,荧光屏M与PQ垂直,整个装置处于真空中.若圆形磁场区域内的磁感应强度的大小或方向发生变化,都将使电子束产生不同的偏转,电子束便可打在荧光屏M的不同位置上,使荧光屏发光而形成图象,其中Q点为荧光屏的中心.不计电子和SO42-离子所受的重力及它们之间的相互作用力.
(1)已知电子的电量为e,质量为me,求电子射出加速电场时的速度大小;
(2)在圆形磁场区域内匀强磁场的磁感应强度大小为B时,电子离开磁场时的偏转角大小为θ(即出射方向与入射方向所夹的锐角,且θ未知),请推导tan的表达式;
(3)若由于去离子水的质量不好,导致阴极材料中含有较多的SO离子,使得阴极在发出电子的同时还发出一定量的SO
离子,SO
离子打在荧光屏上,屏上将出现暗斑,称为离子斑.请根据下面所给出的数据,通过计算说明这样的离子斑将主要集中在荧光屏上的哪一部位.(电子的质量me=9.1×10-31kg,SO42-离子的质量mso=1.6×10-25kg)
正确答案
(1)设电子经电场加速后的速度为v,对于电子被电场加速的过程运用动能定理有:eU=mev2
解得:v=
(2)电子进入磁场后做匀速圆周运动,设电子在磁场中的运动半径为R,根据洛仑兹力公式和牛顿第二定律有:evB=me
解得:R==
根据如图2所示的几何关系可知:
tan=
=Br
(3)由第(2)问的结果可知,若SO42-离子(电荷量大小为2e)通过圆形磁场区后的偏转角度为θ',则tan=Br
所以=
=3.0×102
即SO42-离子的偏转角远小于电子的偏转角,所以,观看到的离子斑将主要集中在荧光屏上的中央位置附近.
答:(1)电子射出加速电场时的速度是v=;
(2)tan的表达式tan
=Br
;
(3)这样的离子斑将主要集中在荧光屏上的中央位置附近.
如图,光滑水平面AB与竖直面内的光滑半圆形固定轨道在B点相切,半圆形轨道半径为R=2.5m,一个质量m=0.5kg的小物块压缩弹簧,静上在A处,释放小物块,小物块离开弹簧后经B点进入轨道,经过C点时对轨道的压力为其重力的3倍.取g=10m/s2.求:
(1)小物块经过C点时速度的大小?
(2)弹簧对小物块的弹力做的功?
正确答案
(1)小球在C点,由牛顿第二定律得:
F+mg=m,F=3mg,
解得:vC=2=10m/s;
(2)从A到C,由动能定理有得:
W-2mgR=mvC2-0,
解得:W=50J;
答:(1)小物块经过C点时速度的大小为10m/s;
(2)弹簧对小物块的弹力做的功为50J.
如图所示,半径R=0.9m的四分之一圆弧形光滑轨道竖直放置,圆弧最低点B与长为L=1m的水平面相切于B点,BC离地面高h=0.8m,质量m-1.0kg的小滑块从圆弧顶点D由静止释放.已知滑块与水平面间的动摩擦因数μ=0.1,(不计空气阻力取g=10/s2).求:
(1)小滑块刚到达圆弧的B点时对圆弧的压力;
(2)小滑块落地点距点的距离.
正确答案
(1)设小滑块运动到B点的速度为vB,由机械能守恒定律:
mgR=mvB2 ①
由牛顿第二定律:
F-mg=m ②
联立①②解得小滑块在B点所受支持力F=30N.
由牛顿第三定律,小滑块在B点时对圆弧的压力为30N.
(2)设小滑块运动到C点的速度为vC,由动能定理:
mgR-μmgL=mvC2
得小滑块在C点的速度vC=4m/s.
小滑块从C点运动到地面做平抛运功:
水平方向:x=v0t
竖直方向:h=gt2
滑块落地点距C点的距离s==0.8
m=1.8m.
答:(1)小滑块刚到达圆弧的B点时对圆弧的压力为30N.
(2)小滑块落地点距C点的距离为1.8m.
如图所示,倾角θ=30°、长L=2.7m的斜面,底端与一个光滑的1/4圆弧平滑连接,圆弧底端切线水平.一个质量为m=1kg的质点从斜面最高点A沿斜面下滑,经过斜面底端B恰好到达圆弧最高点C,又从圆弧滑回,能上升到斜面上的D点,再由D点由斜面下滑沿圆弧上升,再滑回,这样往复运动,最后停在B点.已知质点与斜面间的动摩擦因数为μ=/6,g=10m/s2,假设质点经过斜面与圆弧平滑连接处速率不变.求:
(1)质点第1次经过B点时对圆弧轨道的压力;
(2)质点从A到D的过程中质点下降的高度;
(3)质点从开始到第6次经过B点的过程中因与斜面摩擦而产生的热量.
正确答案
(1)设圆弧的半径为R,则质点从C到B过程,由
得:FN=3mg=3×1×10N=30N
根据牛顿第三定律,质点第1次经过B点对圆弧轨道的压力为30N.
(2)设质点第一次由B点沿斜面上滑的速度为υ1,B点到D点的距离为L1
代入数据解得:L1=L=0.9m
则质点从A点到D点下降的高度h=0.9m
(3)设质点第2次由B点沿斜面上滑的速度为υ2,沿斜面上滑的距离为L2.则
得:L2=L1
同理可推得:质点第n次由B点沿斜面上滑的距离Ln为Ln=Ln-1=(
)nL
所以质点从开始到第6次经过B点的过程中,在斜面上通过的路程为
S=L+2(L1+L2)=5.1m
Q=μmgcos30°S=12.75J
答:(1)质点第1次经过B点时对圆弧轨道的压力为30N.
(2)质点从A到D的过程中质点下降的高度为0.9m.
(3)质点从开始到第6次经过B点的过程中因与斜面摩擦而产生的热量为12.75J.
中国的探月计划分三个阶段,2007年10月24日18时05分,搭载着我国首颗探月卫星“嫦娥一号”的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射,这是第一阶段,卫星将环月飞行,拍摄一些月球表面的三维图象.第二阶段,探测器将在月球上实现软着陆.而在第三阶段,中国将发射一个能收集月球样品,并能重返地球的宇宙飞行器.中国计划在2017年实现返回式月球软着陆器对月球进行科学探测,如图所示,届时将发射一颗运动半径为r的绕月卫星,登月着陆器从绕月卫星出发,沿椭圆轨道降落到月球的表面上,与月球表面经多次碰撞和弹跳停下来.假设着陆器第一次弹起的最大高度为h,水平速度为v1,第二次着陆时速度为v2,已知月球半径为R,着陆器质量为m,不计一切阻力和月球的自转.求:
(1)月球表面的重力加速度g月.
(2)在月球表面发射一颗月球卫星的最小发射速度是多大?
正确答案
(1)根据动能定理得 m
-
m
=mg月h g月=
.
(2)由mg月=m得 v=
=
答:(1)月球表面的重力加速度g月是.
(2)在月球表面发射一颗月球卫星的最小发射速度是.
航天飞机,可将物资运送到空间站,也可维修空间站出现的故障.
(1)若已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,某次维修作业中,与空间站对接的航天飞机的速度计显示飞机的速度为v,则该空间站轨道半径R′为多大?
(2)为完成某种空间探测任务,在空间站上发射的探测器通过向后喷气而获得反冲力使其启动.已知探测器的质量为M,每秒钟喷出的气体质量为m,为了简化问题,设喷射时探测器对气体做功的功率恒为P,在不长的时间 内探测器的质量变化较小,可以忽略不计.求喷气t秒后探测器获得的动能是多少?
正确答案
(1)设地球质量为M0,在地球表面
g=G
设空间站质量为m′绕地球作匀速圆周运动时
G=m′
联立解得
R′=
即该空间站轨道半径R′为.
(2)因为探测器对喷射气体做功的功率恒为P,而单位时间内喷气质量为m,故在t时间内,据动能定理
Pt=mtv2
求得喷出气体的速度为
v=
另一方面探测器喷气过程中系统动量守恒,则:
0=mtv-Mu
又
Ek=Mu2
联立得探测器获得的动能:
Ek=M(
-
)2=
喷气t秒后探测器获得的动能是.
某星球半径与地球半径之比为R1:R2=1:2,质量之比为M1:M2=1:8.假如某人在该星球和地球表面上以相同的初速度跳起,不计两个星球的自转,该人在星球上和地球上竖直跳起的最大高度之比H1:H2是多少?
正确答案
设该人的质量为m,在星球和在地球表面上跳起的初速度为v0,根据万有引力定律可知:
人与该星球之间的引力为F1=G;
人与地球之间的引力为F2=G;
根据动能定理有:
0-F1H1=0-;
0-F2H2=0-;
联立解得:H1:H2=2:1.
答:人在星球上和地球上竖直跳起的最大高度之比H1:H2是1:2.
如图所示,斜面轨道AB与水平面之间的夹角θ=53°,BD为半径R=4m的圆弧形轨道,且B点与D点在同一水平面上,在B点,轨道AB与圆弧形轨道BD相切,整个轨道处于竖直平面内且处处光滑,在A点处的一质量m=1kg的小球由静止滑下,经过B、C点后从D点斜抛出去,最后落在地面上的S点处时的速度大小vs=8m/s,已知A点距地面的高度H=10m,B点距地面的高度h=5m,设以MDN为分界线,其左边为一阻力场区域,右边为真空区域,g取10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6
(1)小球经过B点的速度为多大?
(2)小球经过圆弧轨道最低处C点时对轨道的压力多大?
(3)小球从D点抛出后,受到的阻力f与其瞬时速度方向始终相反,求小球从D点至S点的过程中,阻力f所做的功.
正确答案
(1)设小球经过B点时的速度大小为vB,对小球从A到B的过程,由机械能守恒得:
mg(H-h)=m
解得:vB==
m/s=10m/s.
(2)设小球经过C点时的速度为vC,由机械能守恒得:mgR(1-cos530)+m
=
m
轨道对小球的支持力N,根据牛顿第二定律可得:N-mg=m
由以上两式得,N=1.8mg+m=1.8×1×10N+1×
N=43N.
则小球对轨道的压力为N′=N=43N,则
(3)设小球受到的阻力为f,到达S点的速度为vS,在此过程中阻力所做的功为W,易知vD=vB,
由动能定理可得:mgh+W=m
-
m
代入解得W=-68J
答:
(1)小球经过B点的速度为10m/s.
(2)小球经过圆弧轨道最低处C点时对轨道的压力43N.
(3)小球从D点至S点的过程中,阻力f所做的功为-68J.
如图所示,ABCD是放在E=1.0×103V/m的水平匀强电场中的绝缘光滑竖直轨道,BCD是直径为20cm的半圆环,AB=15cm,一质量为10g,带电量1.0×10-4C的小球由静止在电场力作用下自A点沿轨道运动,求:
(1)它运动到C点速度多大?此时对轨道的压力多大?
(2)要使小球运动到D点,小球开始运动的位置A’至少离B点多远?
正确答案
(1)小球从A经B到C的过程中,电场力做功,克服重力做功,根据动能定理得:
qE(sAB+R)-mgR=mvc2
代入数据,解得vc=m/s.
根据牛顿第二定律:N-qE=m
则N=qE+m=0.1+0.3N=0.4N
根据牛顿第三定律小球对轨边C点的压力为O.4N
答:小球运动到C点的速度为m/s.
(2)小球能通过最高点的最小速度vD,这时轨道对小球的压力为零,由牛顿第二定律得
mg=m
解得vD==1m/s
由动能定理得:qEsA′B-mg•2R=mvD2
解得:sA′B=0.25m.
答:小球开始运动的位置A’至少离B点0.25m.
在水平直线马路上,质量为1.0×l03 kg的汽车,发动机的额定功率为6.0×l04 W,汽车开始由静止以a=1m/s2的加速度做匀加速运动,运动中所受摩擦阻力大小恒为2000N,当汽车达到额定功率后,保持功率不变,重力加速度g取10m/s2.求:
(1)汽车做匀加速运动的时间tl;
(2)汽车所能达到的最大速率;
(3)若汽车由静止到发生位移x=1000m前已达到最大速率,则汽车发生该1000m位移需要多少时间?
正确答案
(1)根据牛顿第二定律得,F-Ff=ma.
设匀加速的末速度为v,则有:P=Fv
v=at1
代入数值,联立解得匀加速的时间t1=20s.
(2)当达到最大速度vm时,有:P=Ffvm
解得汽车的最大速度vm=30m/s.
(3)汽车做匀加速运动的位移x1=at12=200m
在后一阶段牵引力对汽车做正功,阻力做负功,根据动能定理有:
Pt2-Ffx2=mvm2-
mv2
又有x2=x-x1
代入数值,联立解得:t2=30.8s.
所以汽车总的运动时间t=t1+t2=50.8s
答:(1)汽车做匀加速运动的时间为20s.
(2)汽车所能达到的最大速率为30m/s.
(3)汽车发生该1000m位移需要50.8s.
如图所示,商场工作人员用与水平方向成37°斜向上、大小为200N的力F拉着货物沿水平地面做匀速运动,货物的质量为52kg,速度大小为8m/s,某时刻撤去拉力后,货物滑行了一段距离停下(cos37°=0.8,sin37°=0.6).求:
(1)货物与水平面间动摩擦因数多大?
(2)撤去拉力后,货物还能运动多长时间?
(3)若将力F改为水平,使此货物从静止开始运动,则F至少做多少功,能使货物到达200m处的仓库.
正确答案
(1)货物受重力、支持力、拉力摩擦力处于平衡,有:
Fcos37°=f
f=μ(mg-Fsin37°)
联立两式解得:μ=0.4.
(2)撤去拉力后,货物的加速度a==μg=4m/s2
则货物还能运动的时间t==2s.
(3)根据动能定理得:
WF-μmgx=0
解得WF=μmgx=0.4×520×200J=4.16×104J.
答:(1)货物与水平面间动摩擦因数为0.4.
(2)撤去拉力后,货物还能运动2s.
(3)F至少做4.16×104J功,能使货物到达200m处的仓库.
如图所示,BC是半径为R的圆弧形光滑绝缘轨道,轨道位于竖直平面内,其下端与水平绝缘轨道平滑连接,整个轨道处在水平向左的匀强电场中,电场强度为E.现有一质量为m的带电小滑块(体积很小可视为质点),在BC轨道的D点释放后可以静止不动.已知OD与竖直方向的夹角为α=37°,随后把它从C点由静止释放,滑到水平轨道上的A点时速度减为零.若已知滑块与水平轨道间的动摩擦因数为μ=0.25,且sin37°=0.6 cos37°=0.8 tan37°=0.75.取重力加速度为g求:
(1)滑块的带电量q1和带电种类;
(2)水平轨道上A、B两点之间的距离L;
(3)滑块从C点下滑过程中对轨道的最大压力.
正确答案
(1)静止在D处时甲的受力分析,电场力水平向左,与电场强度的方向相同,可知甲应带正电,并且有:q1E=mgtanα
∴q1==
(带正电)
故滑块的带电量q1,带正电.
(2)甲从C经B到A的过程中,重力做正功,电场力和摩擦力做负功.则由动能定理有:mgR-qE(R+L)-μmgL=0
解得:L=•R=
R
故水平轨道上A、B两点之间的距离L为R.
(3)分析知D点速度最大,设VD由动能定理有
mgRcosα-qER(1-sinα)=mvD2-0
设支持力N,由牛顿第二定律
N-F=m
由平衡条件
F=
解N=2.25mg
由牛顿第三定律,最大压力2.25 mg.
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