- 机械能守恒定律
- 共29368题
如下图,半径R = 1.0m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=0.5m的水平面BC相切于B点,BC离地面高h = 0.45m,C点与一倾角为θ = 37°的光滑斜面连接,质量m=1.0 kg的小滑块从圆弧上某点由静止释放,已知滑块与水平面间的动摩擦因数µ=0.1。(已知sin37°=0.6 cos37°="0.8," g取l0 m/s2)求:
(1)若小滑块到达圆弧B点时对圆弧的压力刚好等于其重力的2倍,则小滑块应从圆弧上离地面多高处释放;
(2)若在C点放置一个质量M=2.0kg的小球,小滑块运动到C点与小球正碰后返回恰好停在B点,求小滑块与小球碰后瞬间小滑块的速度大小。
(3)小滑块与小球碰后小球将落在何处并求其在空中的飞行时间。
正确答案
(1)H=0.95m (2):v1=1.0m/s (3)0.3s
(1)设小滑块运动到B点的速度为vB ,由机械能守恒定律有:
mg(H﹣h)=mvB2 (2分)
由牛顿第二定律有
F-mg=m (2分)
联立以上式解得:H=0.95m (2分)
(2) 设小滑块运动到C点的速度为vC,由动能定理有:
mg(H-h)-µmgL=mvC2 (2分)
解得小滑块在C点的速度vC= 3 m/s (1分)
对滑块返回:由动能定理:µmgL=mv12 (2分)
解得:v1=1.0m/s (1分)
(3)由动量守恒:mvC=-mv1+Mv2 (2分)
解得v2=2.0m/s (1分)
小球平抛到地面的水平距离s=v2 t=v2=0.6m (1分)
斜面底宽d=hcotθ=0.6m (1分)
所以小球离开C点将恰好落在斜面底端小滑块在空中的飞行时间即为小滑块平抛运动所用时间=0.3s (1分)
本题考查了从能量的角度解决曲线运动问题,在光滑圆轨道上滑块机械能守恒,再根据可得小滑块到达圆弧B点时对圆弧的压力刚好等于其重力的2倍,可得B点的速度。在BC上受摩擦力,可根据动能定理算出C点的速度。碰撞过程中动量守恒,小球做平抛运动,根据平抛运动规律解题。
水平地面上有一个半径为R的圆形轨道,竖直平面上边中点P离地面高为h,P正下方一点P′位于COA连线上且与轨道圆心O的距离为L(L>R),如图所示。现从P点水平抛出质量为m的小沙袋,使其击中轨道上的小车(沙袋与小车均视为质点,空气阻力不计)。求:
(1)小车停在轨道B点时(∠AOB=90°),沙袋抛出后经多长时间击中小车?击中时动能多大?
(2)若小车匀速圆周运动顺时针经A点时沙袋抛出,为使沙袋能在B处击中小车,小车的速率v应满足的条件。
(3)若在P、C之间以水平射程为(L+R)的平抛运动轨迹制成一光滑轨道,小沙袋从顶点P由静止下滑击中C点小车时水平速度多大?
正确答案
(1) EkB=mgh +
(2)
=
(3)
根据平抛运动及动能定理求出击中时的动能;考虑周期性,求出满足的条件;根据机械能守恒及平抛运动知识求出速度。
(1)(5分) t =
(1分)
抛到B点发生的水平位移为,
(2分)
由动能定理得,
从中解得EkB=mgh +(2分)
(2)(4分)根据时间相等的条件(2分)
小车速度(1分)
求得=
(n = 0,1,2,…) (1分)
(3) (5分)下滑过程沙袋的机械能守恒,,
解得 (2分)
设vC与水平方向夹角为,沙袋的水平速度
(1分)
由平抛运动规律得,即
(1分)
(1分)
如图所示,在光滑的水平面上有质量为m的小车处于静止状态,车底板光滑绝缘,左右两块金属板M和N竖直固定在车上,它们间的距离为d,分别接电压为U的电源两端,N接电源负极且接地.
(1)现有一可看作质点的带正电荷q、质量为的物块A放置在靠近M板的地方(与M板不接触)如图(甲)所示,释放后,求当物块穿过N板的小孔时刻物块和车速度各是多大?
(2)如图(乙),若物块从N板的小孔以速度射入静止小车的两板间,求物块在两板电场中的最大电势能和小车达到的最大速度(物块始终不与M板接触)
正确答案
(1)
(2),
(1)设速度为
,车m速度为
,则有
解得
(2)当进入两板间,
与m速度相等为v时,电势能W最大,则有
解得
当再穿出N板后车速度为最大,设
速度为
,车m速度为
,则有
解得
如图所示是一个设计“过山车”的试验装置的原理示意图,光滑斜面AB与竖直面内的圆形轨道在B点平滑连接,圆形轨道半径为R.一个质量为m的小车(可视为质点)在A点由静止释放沿斜面滑下,当它第一次经过B点进入圆形轨道时对轨道的压力为其重力的7倍,小车恰能完成圆周运动并第二次经过最低点沿水平轨道向右运动.已知重力加速度为g.
(1)求A点距水平面的高度h;
(2)假设小车在竖直圆轨道左、右半圆轨道部分克服摩擦阻力做的功相等,求小车第二次经过竖直圆轨道最低点时的速度大小.
正确答案
(1)设第一次小车运动到B点的速度大小为vB,受到的支持力为N,根据牛顿第二定律:
N-mg=m
依题意和牛顿第三定律:
N=7mg
解得vB=
小车从A点运动到B点的过程机械能守恒,以B点位置为重力势能零点,则有:
mgh=mvB2
解得h=3R
(2)设小车在圆轨道最高点的速度为vC,重力提供向心力,此时根据向心力公式有:
mg=m
解得:vc=
设小车在右半圆轨道上克服阻力做功Wf,对小车从B点运动到C的点过程,根据动能定理有
-mg2R-Wf=mvC2-
mvB2
解得Wf=mgR
设小车第二次经过B点时的速度为v′,对小车从B点运动到C点再回到B点的过程,根据动能定理有:
-2Wf=mv′2-
mvB2
解得v′=2
答:(1)A点距水平面的高度h为3R;
(2)小车第二次经过竖直圆轨道最低点时的速度大小为2.
将一电量为q=2×10-6C的点电荷从电场外一点P移至电场中的A点,电场力对电荷做功为4×10-5J,求A点的电势.(取无穷远处的电势为零)
正确答案
无穷远处某点O的电势为零,根据电场力做功与电势能变化的关系公式WAB=EpA-EpB,有
WOA=EpO-EpA
无穷远处电势能为零,即EpO=0
故
EpA=-WOA=-4×10-5J
根据电势的定义式φ=,有
=
=-
=-20V
故答案为:-20V.
如图所示,相距为L的两条足够长的光滑平行金属导轨与水平面的夹角为θ,上端连接定值电阻R,导轨上水平虚线MNPQ区域内,存在着垂直于轨道平面向下的匀强磁场,磁感应强度为B.将质量为m、电阻为r的导体棒在距磁场上边界d处由静止释放,导体棒进入磁场运动距离s到达CD位置,速度增加到v1,此时对导体棒施加一平行于导轨的拉力,使导体棒以速度v1匀速运动时间t后离开磁场.导体棒始终与导轨垂直且电接触良好,不计导轨的电阻,重力加速度为g.求:
(1)导体棒刚进入磁场时产生的感应电动势E;
(2)导体棒到达CD位置时,电阻R上的电功率P;
(3)整个过程中回路产生的焦耳热Q.
正确答案
(1)设导体棒刚进入磁场时的速度为v,由动能定理有mgdsinθ=mv2
导体棒切割磁感线产生的感应电动势 E=BLv
解得 E=BL
(2)导体棒到达CD位置时的感应电动势E′=BLv1
此时R上的电功率P=(
E′
R+r
)2R
解得 P=
(3)导体棒从MN运动到CD,由能量守恒定律有mgssinθ=m
-
mv2+Q1
以v1的速度匀速运动时间t,产生的热量 Q2=t
整个过程中回路产生的热量 Q=Q1+Q2
解得 Q=mg(d+s)sinθ-m
+
t
答:(1)导体棒刚进入磁场时产生的感应电动势E=BL;
(2)导体棒到达CD位置时,电阻R上的电功率P=;
(3)整个过程中回路产生的焦耳热Q=mg(d+s)sinθ-m
+
t.
三块相同的金属平板A、B、D自上而下水平放置,间距分别为h和d,如图所示.A、B两板中心开孔,在A板的开孔上搁有一金属容器P,与A板接触良好,其内盛有导电液体.A板通过闭合的电键K与电动势为U0的电池正极相连,B板与电池负极相连并接地.容器P内液体在底部小孔O处形成质量为m,带电量为q的液滴后自由下落,穿过B板的开孔O′落到D板上,其电荷被D板吸附,液体随即蒸发.接着容器底部又形成相同的液滴自由下落,如此继续.设整个装置放在真空中.
(1)第一个液滴到达D板时的速度为多少?
(2)D板最终可达到多高的电势?
(3)设液滴的电量是A板所带电量的a倍(a=0.02),A板与B板构成的电容器的电容为C0=5×10-12F,U0=1000V,m=0.02g,h=d=5cm.试计算D板最终的电势值.(g=10m/s2)
(4)如果电键K不是始终闭合,而只是在第一个液滴形成前闭合一下,随即打开,其他条件与(3)相同.在这种情况下,D板最终可达到的电势值为多少?说明理由.(不需要计算.)
正确答案
(1)液滴下落过程中重力和电场力都做正功,由动能定理,得:
mg(h+d)+U0q=mv2-0,
得到v=
(2)B板与电池负极相连并接地,D板达到电势大小可以表示为BD的电势差
由动能定理研究整个过程,得:
mg(h+d)+U0q-Uq=0,得
U=U0+
(3)根据U=U0+
代入数据得:2.01×105V
(4)如果电键K不是始终闭合,而只是在第一个液滴形成前闭合一下,随即打开,A板上电量可以全部转移到D板,D板电势1000V.
如图,传送带AB总长为l=10m,与一个半径为R=0.4m的光滑圆轨道BC相切于B点.传送带速度恒为v=6m/s,方向向右.现有一个滑块以一定初速度v0从A点水平冲上传送带,滑块质量为m=10kg,滑块与传送带间的动摩擦因数为μ=0.1.已知滑块运动到B端时,刚好与传送带共速.求
(1)v0;
(2)滑块能上升的最大高度h;
(3)求滑块第二次在传送带上滑行时,滑块和传送带系统产生的内能.
正确答案
(1)以滑块为研究对象,滑块在传送带上运动过程中,由动能定理得:
滑块初速度大于传送带速度时:-μmgl=mv2-
mv02,解得v0=
m/s;
滑块初速度小于传送带速度时:μmgl=mv2-
mv02,解得v0=4m/s;
(2)由动能定理可得:-mgh=0-mv2,解得h=1.8m;
(3)以滑块为研究对象,由牛顿第二定律得:
μmg=ma,滑块的加速度a=1m/s2,
滑块减速到零的位移s==18m>10m,
则滑块第二次在传送带上滑行时,速度没有减小到零就离开传送带,
由匀变速运动的位移公式可得:l=vt-at2,
即10=6t-×1×t2,解得t=2s,(t=10s舍去),
在此时间内传送带的位移x=vt=6×2=12m,
滑块第二次在传送带上滑行时,滑块和传送带系统产生的内能:
Q=μmg(l+x)=0.1×10×10(10+12)=220J;
答:(1)滑块的初速度为v0=4m/s或m/s.
(2)滑块能上升的最大高度为1.8m.
(3)滑块第二次在传送带上滑行时,滑块和传送带系统产生的内能为220J.
静电喷漆技术具有效率高,浪费少,质量好,有利于工人健康等优点,其装置如图所示.A、B为两块平行金属板,间距d=0.40m,两板间有方向由B指向A,大小为E=1.0×103N/C的匀强电场.在A板的中央放置一个安全接地的静电油漆喷枪P,油漆喷枪的半圆形喷嘴可向各个方向均匀地喷出带电油漆微粒,油漆微粒的初速度大小均为v0=2.0m/s,质量m=5.0×10-15kg、带电量为q=-2.0×10-16C.微粒的重力和所受空气阻力均不计,油漆微粒最后都落在金属板B上.试求:
(1)电场力对每个微粒所做的功.
(2)微粒打在B板上的动能.
(3)微粒到达B板所需的最短时间.
(4)微粒最后落在B板上所形成的图形及面积的大小.
正确答案
(1)电场力对每个微粒所做的功为 W=qEd=2.0×10-16×1.0×103×0.40J=8.0×10-14J
(2)微粒从A板到B板过程,根据动能定理得 W=Ekt-Ek0
则得
(3)微粒初速度方向垂直于极板时,到达B板时间最短.
由Ekt=mvt2得
vt==
m/s=6.0m/s
根据运动学公式得=
所以微粒到达B板所需的最短时间为t==
s=0.1s
(4)根据对称性可知,微粒最后落在B板上所形成的图形是圆形.
由牛顿第二定律得:
a==
m/s2=40m/s2
由类平抛运动规律得
R=vot1
h=a
则圆形面积为
答:
(1)电场力对每个微粒所做的功是8.0×10-14J.
(2)微粒打在B板上的动能为9.0×10-14J.
(3)微粒到达B板所需的最短时间为0.1s.
(4)微粒最后落在B板上所形成的图形是圆形,面积的大小为0.25m2.
(6分)某同学利用图甲的实验装置做“探究动能定理”的实验。在尽量减小摩擦阻力的情况
下,先接通打点计时器的电源,再释放纸带,让质量的重物由静止下落,在纸带上打出一系列的
点,如图乙所示,A、B、C分别为所选取的计数点,且为开始打出的第一点,
之间有若干点未标出,
相邻计数点的时间间隔为,重力加速度
取
。
(1)释放纸带前,纸带的____________(选填“”或“
”)端在上面;
(2)重物从运动到
的过程中,动能的变化量△
(取两位有效数字);
(3)列举一种能有效减小实验误差的做法_____________________________________.
正确答案
①C(2分) ②0.67 (2分) ③多次测量取平均值(2分)
试题分析:(1)因纸带打出的第一点是点,故释放纸带前,纸带的C端在上面; (2)B带的速度
,动能的变化量
=0.67J;(3)减小实验误差的做法是多次测量取平均值。
如图所示,一长为l、质量为M的绝缘板静止在光滑水平面上,板的中点有一个质量为m的小物块,它带有电荷量为q的正电荷。在绝缘板右侧有一磁感应强度为B,方向垂直于纸面向里的匀强磁场,磁场的宽度也为l。在水平恒力F的作用下绝缘板与物块一起向右运动。物块进入磁场前与绝缘板相对静止,进入后与 绝缘板产生相对滑动,当物块运动到磁场的右边界时,恰好位于绝缘板的左端,此时物块与板间的摩擦力刚好减为零,已知物块经过磁场所用的时间为t。求:
(1)物块进入磁场左边界时的速度大小;
(2)物块到达磁场右边界时的速度大小;
(3)绝缘板完全穿出磁场时的速度大小。
正确答案
(1)(2)(3)
试题分析:(1)M和m在恒力F作用下一起向右运动,设小物块进入磁场左边界时的速度为v1,由动能定理得
(2)已知物块到达磁场右边界时摩擦力恰好减为零,设物块穿出磁场时的速度为v2
(3)设绝缘板完全穿出磁场时的速度大小为V,此过程中摩擦力的冲量大小为If由动量定理得
点评:做此类型的题目的关键是将整个过程分成几个小过程,切记一定要分清各个过程中物体的始末状态以及运动性质
如图,倾角为θ的斜面固定。有n个质量都为m的相同的小木块(可视为质点)放置在斜面上。相邻两小木块间距离都为,最下端的木块距底端也是
,小木块与斜面间的动摩擦因数都为μ。在开始时刻,第一个小木块从斜面顶端以初速度v0沿斜面下滑,其余所有木块都静止,由于第一个木块的下滑将依次引起一系列的碰撞。设每次碰撞的时间极短,在每次碰撞后,发生碰撞的木块都粘在一起运动,直到最后第n个木块到达底端时,速度刚好为零。已知重力加速度为g.求:
小题1:第一次碰撞后小木块1的速度大小v;
小题2:从第一个小木块开始运动到第一次碰撞后系统损失的机械能;
小题3:发生一系列碰撞后,直到最后第n个木块到达底端,在整个过程中,由于碰撞所损失的总机械能总。
正确答案
小题1:
小题2:
小题3:
(1)设小木块1碰前的速度为v1,从开始运动到碰前,根据动能定理
对小木块1和2,由动量守恒 mv1 = 2mv
求出
(2)碰撞前损失的机械能为 1 = μmgcosθ·l
因碰撞损失的机械能为
求出
(3)对n个木块碰撞的全过程
重力做的总功
克服摩擦做的总功
根据功与能的关系
由以上各式求出
如图所示,一质量为m的物块在与水平方向成θ角的力F的作用下从A点由静止开始沿水平直轨道运动,到B点后撤去力F,物体飞出后越过“壕沟”落在平台EG段.已知物块的质量m=1kg,物块与水平直轨道间的动摩擦因数为μ=0.5,AB段长L=10m,BE的高度差h=0.8m,BE的水平距离x=1.6m.若物块可看做质点,空气阻力不计,g取10m/s2.
(1)要越过壕沟,求物块在B点最小速度v的大小;
(2)若θ=37°,为使物块恰好越过“壕沟”,求拉力F的大小.
正确答案
(1)设运动时间为t,则有:
h=gt2
所以,t==0.4s
水平方向匀速直线运动,故有:v==4m/s
(2)设AB段加速度为a,由匀变速直线运动规律得:
v2=2aL
a==0.8m/s2
对物块受力分析,由牛顿第二定律可得:Fcosθ-μ(mg-Fsinθ)=ma
F==
N═5.27N
答:(1)要越过壕沟,求物块在B点最小速度v的大小为4m/s
(2)若θ=37°,为使物块恰好越过“壕沟”,拉力F的大小外为5.27N.
如图所示,皮带的速度是3m/s,两圆心距离s=4.5m,现将m=1kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上,物体与皮带间的动摩擦因数μ=0.15,电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时,求:
(1)小物体获得的动能Ek;
(2)这一过程摩擦产生的热量Q;
(3)这一过程电动机消耗的电能E是多少?(g=10m/s2)
正确答案
(1)设物体与传送带速度相同时物体通过的位移大小为S则由动能定理得
μmgS=mv2
代入解得S=3m<4.5m,即物块可与皮带速度达到相同做匀速运动.则
Ek=mv2=
×1×32=4.5J
(2)根据牛顿第二定律得
μmg=ma
物体的加速度为a=1.5m/s2由v=at,得
t=2s
这一过程摩擦产生的热量Q=μmg(vt-s)=0.15×1×10×(6-3)=4.5J
(3)根据能量守恒得E电=Ek+Q=9J
答:
(1)小物体获得的动能Ek=4.5J.
(2)这一过程摩擦产生的热量Q=4.5J;
(3)这一过程电动机消耗的电能E是9J.
光滑绝缘水平面AB上有C、D、E三点.CD长L1=10cm,DE长L2=2cm,EB长L3=9cm.另有一半径R=0.1m的光滑半圆形金属导轨PM与水平面相连,P点接地,不计BP连接处能量损失.现将两个带电量为-4Q和Q的物体(可视作点电荷)固定在C、D两点,如图所示.将另一带电量为+q,质量m=1×104kg的金属小球(也可视作点电荷)从E点静止释放,则(感应电荷的影响忽略不计)
(1)小球在水平面AB运动过程中最大加速度和最大速度对应的位置
(2)若小球过圆弧的最高点后恰能击中放在C处的物体,则小球在最高点时的速度为多少?对轨道的压力为多大?
(3)若不改变小球的质量而改变小球的电量q,发现小球落地点到B点的水平距离s与小球的电量q,符合下图的关系,则图中与竖直轴的相交的纵截距应为多大?
(4)你还能通过图象求出什么物理量,其大小为多少?
正确答案
(1)设在AB上距D点x cm处场强为0,有=
x=10cm,即距E点8cm处
带电小球最大加速度应在场强最大处即E点处
带电小球最大速度就是场强为零点即距E点8cm处.
(2)小球从最高点水平抛出能击中C点,设速度为v,有:
v=L=1.05m/s
设最高点压力为N,有:N+mg=m,
N=1.025×10-4N
(3)带电小球从E开始运动,设E、B电势差为UEB,经金属轨道到从最高点下落,由
动能定理得:qUEB-2mgR=mv2=
∴当q=0时,S2=-16R2,即坐标为(0,-16R2)
即(0,-0.16m2)
所以图中与竖直轴的相交的纵截距应为-0.16m2;
(4)通过图线的斜率可求出UEB
k==0.36×106
UEB=450V
答:(1)小球在水平面AB运动过程中,带电小球最大加速度在E点处,最大速度距E点8cm处;
(2)若小球过圆弧的最高点后恰能击中放在C处的物体,则小球在最高点时的速度为1.05m/s,对轨道的压力为1.025×10-4N;
(3)图中与竖直轴的相交的纵截距应为-0.16m2;
(4)通过图线的斜率可求出UEB,其大小为450V.
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