- 机械能守恒定律
- 共29368题
两个完全相同的物体A,B,质量均为m=0.8 kg,在同一粗糙水平面上以相同的初速度从同一位置开始运动。图中的两条直线分别表示物体A受到水平拉力F作用和物体B不受拉力作用的v-t图象,求:
(1)物体与地面之间的动摩擦因数μ;
(2)物体A所受拉力F的大小;
(3)12 s末物体A,B之间的距离s。
正确答案
解:(1)由v-t图象得
由牛顿第二定律得-μmg=maB
解得
(2)由v-t图象得
由牛顿第二定律得F-f=maA
解得F=0.8 N
(3)设A,B在12 s内的位移分别为s1,s2,由v-t图象得
故s=s1-s2=60 m
质量为1.5t的汽车在前进中受到的阻力是车重的0.05倍,汽车在水平地面上做匀加速直线运动时,5s内速度由36km/h增加到54km/h。求
(1)汽车发动机的牵引力的大小。(g取10m/s2)
(2)5s内发动机的牵引力对汽车所做的功。
正确答案
(1)2250N
(2)140625J
如图所示,固定光滑圆弧轨道AB,半径为R=0.8m,末端水平。水平面上质量为m1=2kg、高H=0.4m的方凳紧靠在圆弧AB的末端,方凳上表面与圆弧相切。现有一个质量为m2=2kg的滑块(视为质点)从A端由静止沿圆弧下滑,在B点滑上方凳,经过一段时间后从方凳右端滑落。已知:方凳与地面、滑块与凳面间的动摩擦因数分别为μ1=0.2、μ2=0.5;方凳从开始运动到停止运动,在水平面上运动的位移x=27cm。(取g=10m/s2)求:
(1)滑块滑上方凳时的速度;
(2)滑块与方凳分离时,方凳的速度;
(3)滑块刚落地时,滑块与方凳右端之间的距离(结果保留三位有效数字)。
正确答案
解:(1)滑块从滑到的过程,机械能守恒,设滑块滑到的速度
解得: =4m/s
(2)方凳由静止开始做匀加速直线运动,直至滑块从其右端滑落,设此段位移为11;然后做匀减速直线运动直至停止,设此段位移为12,中间最大速度为1依据动能定理:μ 11-μ1(+)11=12 -μ112=-
112
11+ 12=
解得:1=0.6m/s,11=0.18m,12=0.09m
(3) 设滑块在凳面运动的时间为1,滑块从其右端滑落时的速度为
对方凳:1=11 22 -μ1(1+2)=11
对滑块:0-2=2122=22解得:2=1m/s
滑块从凳面滑落后做平抛运动,设时间为2,水平位移为2
则有:,
滑块落地后木块继续滑行(0.3-2),设位移为13,加速度为33=μ1,13=3(0.3-t2)2木凳不能撞到物块,则滑块与方桌右端之间的距离=2+ 13-12=0.193m
A,B两个木块叠放在竖直轻弹簧上,如图所示,已知mA=mB=1 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2 m/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+FA=mAa,所以当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
滑雪运动中当滑雪板压在雪地时会把雪内的空气逼出来,在滑雪板与雪地间形成一个暂时的“气垫”,从而大大减小雪地对滑雪板的摩擦。然而当滑雪板相对雪地速度较小时,与雪地接触时间超过某一值就会陷下去,使得它们间的摩擦力增大。假设滑雪者的速度超过4m/s时,滑雪板与雪地间的动摩擦因数就会由μ1=0.25变为μ2=0.125。一滑雪者从倾角θ=37°的坡顶A处由静止开始自由下滑,滑至坡底B(B处为一光滑小圆弧)后又滑上一段水平雪地,最后停在C处,如图所示,不计空气阻力,坡长L=26m,取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,求:
(1)滑雪者从静止开始到动摩擦因数发生变化所经历的时间;
(2)滑雪者到达B处的速度;
(3)滑雪者在水平雪地上运动的最大距离。
正确答案
解:(1)设滑雪者质量为m,滑雪者在斜坡上从静止开始加速至速度期间,由牛顿第二定律有:
解得:
故由静止开始到动摩擦因数发生变化所经历的时间:
(2)则根据牛顿定律和运动学公式有:
代入数据解得:
(3)设滑雪者速度由减速到
期间运动的位移为
,速度由
减速到零期间运动的位移为
,则由动能定理有:
所以滑雪者在水平雪地上运动的最大距离为:
总质量为80kg的跳伞运动员从离地500m高处的悬停直升机上竖直跳下,经过2s后拉开绳索开启降落伞,如图所示是跳伞过程中的图像,试根据图像求:(g取10m/
)
(1)t=1s时运动员的加速度和所受阻力的大小;
(2)估算前14s内运动员下落的高度及克服阻力做的功。
正确答案
解:(1)由图像可得t=1s时运动员的加速度大小为:
设运动员所受阻力的大小为f,由牛顿第二定律有:
解得:
(2)从图中估算得出运动员在14s内下落了39.5×2×2m=158
根据动能定理,有
所以有=(80×10×158-
×80×62)J≈1.25×105J
如图所示,间距为L、电阻为零的U形金属竖直轨道,固定放置在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直纸面里。竖直轨道上部套有一金属条bc,bc的电阻为R,质量为2m,可以在轨道上无摩擦滑动,开始时被卡环卡在竖直轨道上处于静止状态。在bc的正上方高H处,自由落下一质量为m的绝缘物体,物体落到金属条上之前的瞬间,卡环立即释改,两者一起继续下落。设金属条与导轨的摩擦和接触电阻均忽略不计,竖直轨道足够长。求:
(1)金属条开始下落时的加速度;
(2)金属条在加速过程中,速度达到v1时,bc对物体m的支持力;
(3)金属条下落h时,恰好开始做匀速运动,求在这一过程中感应电流产生的热量。
正确答案
解:(1)物块m自由下落与金属条碰撞的速度为
设物体m落到金属条2m上,金属条立即与物体有相同的速度v开始下落,由m和2m组成的系统相碰过程动量守恒
,则
金属条以速度v向下滑动,切割磁感线,产生感应电动势,在闭合电路中有感应电流
则金属条所受安培力为
对于,金属条和物体组成的整体,由牛顿第二定律可得
则金属条开始运动时的加速度为
(2)当金属条和物体的速度达到v1时,加速度设为,同理可得
对物体m来说,它受重力mg和支持力N,则有
(3)金属条和物体一起下滑过程中受安培力和重力,随速度变化,安培力也变化,做变加速度运动,最终所受重力和安培力相等,加速度也为零,物体将以速度做匀速运动,则有
金属条的最终速度为
下落h的过程中,设金属条克服安培力做功为WA,由动能定理
感应电流产生的热量Q=WA,得:
某兴趣小组用如图所示的装置进行实验研究。他们在水平桌面上固定一内径为的圆柱形玻璃杯,杯口上放置一直径为、质量为的匀质薄圆板,板上放一质量为2的小物块。板中心、物块均在杯的轴线上。物块与板间动摩擦因数为,不计板与杯口之间的摩擦力,重力加速度为,不考虑板翻转。
(1)对板施加指向圆心的水平外力,设物块与板间最大静摩擦力为max,若物块能在板上滑动,求应满足的条件。
(2)如果对板施加的指向圆心的水平外力是作用时间极短的较大冲击力,冲量为。
①应满足什么条件才能使物块从板上掉下?
②物块从开始运动到掉下时的位移为多少?
③根据与的关系式说明要使更小,冲量应如何改变。
正确答案
解:(1)设圆板与物块相对静止时,它们之间的静摩擦力为,共同加速度为由牛顿运动定律,有对物块=2对圆板-=两物相对静止,有≤max解得≤max相对滑动的条件>max(2)设冲击刚结束时圆板获得的速度大小为0,物块掉下时,圆板和物块速度大小分别为1和2由动量定理,有=0
由动能定理,有:
对圆板-2=12-
02
对物块2=(2)22-0
由动量守恒定律,有
0=1+22
要使物块落下,必须1>2
由以上各式得>=
分子有理化得=
根据上式结果知:越大,越小。
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
一滑块(可视为质点)经水平轨道AB进入竖直平面内的四分之一圆弧形轨道BC。已知滑块的质量m=0.50kg,滑块经过A点时的速度υA=5.0m/s,AB长x=4.5m,滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.10,圆弧形轨道的半径R=0.50m,滑块离开C点后竖直上升的最大高度h=0.10m。取g=10m/s2。求
(1)滑块第一次经过B点时速度的大小;
(2)滑块刚刚滑上圆弧形轨道时,对轨道上B点压力的大小;
(3)滑块在从B运动到C的过程中克服摩擦力所做的功。
正确答案
解:(1)滑块从A到B做匀减速直线运动,摩擦力f=μmg
由牛顿第二定律可知,滑块的加速度大小
由运动学公式υB2-υA2=-2ax
解得滑块经过B点时速度的大小υB=4.0 m/s
(2)在B点,滑块开始做圆周运动,由牛顿第二定律可知
解得轨道对滑块的支持力N=21N
根据牛顿第三定律可知,滑块对轨道上B点压力的大小也为21N
(3)从B到滑块经过C上升到最高点的过程中,由动能定理
解得滑块克服摩擦力做功Wf=1.0J
电动机带动滚轮匀速转动,在滚轮的作用下,将金属杆从最底端A送往倾角θ=30°的足够长斜面上部。滚轮中心B与斜面底部A的距离为L=6.5m,当金属杆的下端运动到B处时,滚轮提起,与杆脱离接触。杆由于自身重力作用最终会返回斜面底部,与挡板相撞后,立即静止不动。此时滚轮再次压紧杆,又将金属杆从最底端送往斜面上部,如此周而复始。已知滚轮边缘线速度恒为v=4m/s,滚轮对杆的正压力FN=2×104N,滚轮与杆间的动摩擦因数为μ=0.35,杆的质量为m=1×103Kg,不计杆与斜面间的摩擦,取g=10m/s2 。求:
(1)在滚轮的作用下,杆加速上升的加速度;
(2)杆加速上升至与滚轮速度相同时前进的距离;
(3)每个周期中滚轮对金属杆所做的功;
(4)杆往复运动的周期。
正确答案
解:(1)f=μN=7×103N
a=f-mgsinθ/m=2m/s2
(2)s=v2/2a=4m
(3)∵s<L
∴金属杆先匀加速4米,后匀速2.5米
W1-mgsinθs=mv2,W2-mgsinθs'=0
W1=2.8×104J,W2=1.25×104J
∴W=W1+W2=4.05×104J
(4)t1=v/a=2s,t2=L-s/v=0.625s
后做匀变速运动a'=gsinθ
L=v0t+at2
6.5=-4t3+×5t32
得t3=2.6s
∴T= t1+t2+t3=5.225s
如图所示,水平绝缘光滑轨道AB的B端与处于竖直平面内的四分之一圆弧形粗糙绝缘轨道BC平滑连接,圆弧的半径R=0.40m。在轨道所在空间存在水平向右的匀强电场,电场强度E=1.0×104 N/C。现有一质量m=0.10kg的带电体(可视为质点)放在水平轨道上与B端距离s=1.0m的位置,由于受到电场力的作用带电体由静止开始运动,当运动到圆弧形轨道的C端时,速度恰好为零。已知带电体所带电荷q=8.0×10-5C,取g=10m/s2,求:
(1)带电体在水平轨道上运动的加速度大小及运动到B端时的速度大小;
(2)带电体运动到圆弧形轨道的B端时对圆弧轨道的压力大小;
(3)带电体沿圆弧形轨道运动过程中,电场力和摩擦力对带电体所做的功各是多少。
正确答案
解:(1)设带电体在水平轨道上运动的加速度大小为a,根据牛顿第二定律有 qE=ma①
解得 a=qE/m=8.0m/s2②
设带电体运动到B端的速度大小为vB,则解得 vB=
=4.0m/s③
(2)设带电体运动到圆轨道B端时受轨道的支持力为N,根据牛顿第二定律有 N-mg=④
解得 N=mg+R=5.0N⑤
根据牛顿第三定律可知,带电体对圆弧轨道B端的压力大小N′=N=5.0N⑥
(3)因电场力做功与路径无关,所以带电体沿圆弧形轨道运动过程中,
电场力所做的功W电=qER=0.32J⑦,
设带电体沿圆弧形轨道运动过程中摩擦力所做的功为W摩,
对此过程根据动能定理有W电+W摩-mgR=0-⑧
解得 W摩=-0.72J⑨
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
如图所示,高为0.3m的水平通道内,有一个与之等高的质量为M=1.2kg表面光滑的立方体,长为L=0.2m的轻杆下端用铰链连接于O点,O点固定在水平地面上竖直挡板的底部(挡板的宽度可忽略),轻杆的上端连着质量为m=0.3kg的小球,小球靠在立方体左侧.取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8.
(1)为了使轻杆与水平地面夹角α=37°时立方体平衡,作用在立方体上的水平推力F1应为多大?
(2)若立方体在F2=4.5N的水平推力作用下从上述位置由静止开始向左运动,则刚要与挡板相碰时其速度多大?
(3)立方体碰到挡板后即停止运动,而轻杆带着小球向左倒下碰地后反弹恰好能回到竖直位置,若小球与地面接触的时间为t=0.05s,则小球对地面的平均冲击力为多大?
(4)当杆回到竖直位置时撤去F2,杆将靠在立方体左侧渐渐向右倒下,最终立方体在通道内的运动速度多大?
正确答案
(1)对小球有N==
N=4N
F=N=4N
(2)FLcos37°-mg(L-Lsin37°)=(m+M)v12
可解得:v1=0.8m/s
(3)设小球碰地的速度为v2,有 mgL+mv12=
mv22
可解得 v2=2.15m/s
设小球碰地后反弹的速度为v3 有mv32=mgL
可解得 v3=2m/s
对小球的碰地过程,根据牛顿第二定律有 (N-mg)=m
可解得 N=27.9N
(4)设杆靠在立方体向右倒下与地面的夹角为θ时小球与立方体分离,此时小球与立方体的速度分别为v4和v5,可有
mgL(1-sinθ)=mv4 2+
Mv5 2
v4sinθ=v5mgsinθ=m
联立上述方程可解得 v5=0.5m/s.
答:(1)为了使轻杆与水平地面夹角α=37°时立方体平衡,作用在立方体上的水平推力F1应为4N;
(2)若立方体在F2=4.5N的水平推力作用下从上述位置由静止开始向左运动,则刚要与挡板相碰时其速度0.8m/s;
(3)小球对地面的平均冲击力为27.9N;
(4)最终立方体在通道内的运动速度为0.5m/s.
如图所示,长为L的木板A静止在光滑的水平桌面上,A的左端上方放有小物体B(可视为质点),一端连在B上的细绳,绕过固定在桌子边沿的定滑轮后,另一端连在小物体C上,设法用外力使A、B静止,此时C被悬挂着.A的右端距离滑轮足够远,C距离地面足够高.已知A的质量为6m,B的质量为3m,C的质量为m.现将C物体竖直向上提高距离2L,同时撤去固定A、B的外力.再将C无初速释放,当细绳被拉直时B、C速度的大小立即变成相等,由于细绳被拉直的时间极短,此过程中重力和摩擦力的作用可以忽略不计,细绳不可伸长,且能承受足够大的拉力.最后发现B在A上相对A滑行的最大距离为L.细绳始终在滑轮上,不计滑轮与细绳之间的摩擦,计算中可认为A、B之间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度g=10m/s2.
(1)求细绳被拉直前瞬间C物体速度的大小υ0;
(2)求细绳被拉直后瞬间B、C速度的大小υ;
(3)在题目所述情景中,只改变C物体的质量,可以使B从A上滑下来.
设C的质量为km,求k至少为多大?
正确答案
(1)C做自由落体运动,下降高度为2L时的速度为v0,根据vt2-v02=2ax得
v0=2
(2)此时细绳被拉直,B、C速度的大小立即变成v,设绳子对B、C的冲量大小为I,根据动量定理得
对B I=3mv
对C-I=mv-mv0
解得B、C速度的大小v=
(3)设C物体的质量为km,A、B之间的动摩擦因数为μ
由(2)可知,细绳被拉直时B、C速度的大小v´=v0
此后B物体的加速度 kmg-μ•3mg=(3m+km)a1
a1==
g
A物体的加速度 μ•3mg=6ma2
a2==
g
经时间t,B物体的速度 v1=v'+a1t
B物体的位移 x1=v′t+a1t2
同样,A物体的速度 v2=a2t
A物体的位移 x2=a2t2
(i)根据题意,若k=1,当v1=v2时,x1-x2=,解μ=0.4;
(ii)要使v1=v2时,x1-x2=L,利用(i)求得的动摩擦因数μ,
可得k==1.29;
即C物体的质量至少为1.29m时,才可以使B物体从A上滑下来.
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