- 机械能守恒定律
- 共29368题
用长为L的绝缘细线拴一个质量为m,电荷量为q的小球,如图所示,线的另一端固定在水平方向的匀强电场中,开始时将带电球拉到使线成水平的位置,小球由静止从A点向下摆动,当细线转过60°角,小球到达B点时,速度恰好为零,试求:
(1)匀强电场的场强E为多大?
(2)小球由A运动到B点的过程中,细线的最大拉力多大?
(3)在A点给小球一竖直向下的初速度使小球能完成竖直平面内的完整的圆周运动,求小球速度最小的点的电势.(设O点的电势为零,电场区域足够大,小球始终在匀强电场中)
正确答案
(1)小球从A到B的运动过程中运用动能定理的:
-EqL(1-cos60°)+mgLsin60°=0
解得:E=
(2)当小球运动到细线方向与电场力和重力合力的方向相反时,绳子的拉力最大,
设此时绳子与水平方向夹角为θ,则tanθ==
所以θ=30°
根据动能定理得:
mgLsinθ-Eq(1-cosθ)L=mv2
T-F合=m
F合=
由上述各式解得:T=(6-2)mg
(3)小球速度最小的点应在与C位置在同一直径上的C′点,如图所示
则有:U=ELsin60°
解得:φ=
答:(1)匀强电场的场强E为;
(2)小球由A运动到B点的过程中,细线的最大拉力为(6-2)mg;
(3)小球速度最小的点的电势为
如图所示,质量为m的物块从高h的斜面顶端由静止开始滑下,最后停止在水平面上B点.若物块从斜面顶端以初速度v0沿斜面滑下,则停止在水平面的上C点,已知AB=BC,则物块在斜面上克服阻力做的功为______.(设物块经过斜面与水平面交接点处无能量损失).
正确答案
令物体在斜面顶端位置为O.
设物块在斜面上克服阻力做的功为W1,
在AB或BC段克服阻力做的功W2
由动能定理 O→B mgh-W1-W2=0
O→C mgh-W1-2W2=0-m
∴W1=mgh-m
答:物块在斜面上克服阻力做的功为mgh-m
如图是某种静电分选器的原理示意图.两个竖直放置的平行金属板带有等量异号电荷,形成匀强电场.分选器漏斗的出口与两板上端处于同一高度,到两板距离相等.混合在一起的a、b两种颗粒从漏斗出口下落时,a种颗粒带上正电,b种颗粒带上负电.经分选电场后,a、b两种颗粒分别落到水平传送带A、B上.
已知两板间距d=0.1 m,板的长度l=0.5m,电场仅局限在平行板之间;各颗粒所带电量大小与其质量之比均为1 x10-5G/kg.设颗粒进入电场时的初速度为零,分选过程中颗粒大小及颗粒间的相互作用力不计.要求两种颗粒离开电场区域时,不接触到极板但有最大偏转量,重力加速度g取10m/s2.
(1)左右两板各带何种电荷?两极板间的电压多大?
(2)若两带电平行板的下端距传送带4、B的高度H=0.3m,颗粒落至传送带时的速度大小是多少?
(3)设颗粒每次与传送带碰撞反弹时,沿竖直方向的速度大小为碰撞前竖直方向速度大小的一半.写出颗粒第n次碰撞反弹高度的表达式.并求出经过多少次碰撞,颗粒反弹的高度小于0.01m.
正确答案
见解析
【错解分析】对粒子的受力分析及运动状态分析不透,未能正确地将粒子的运动分解为水平方向和竖直方向的分运动求解.
【正解】(1)左板带负电荷,右板带正电荷.依题意,颗粒在平行板间的竖直方向上满足
①
在水平方向上满足
②
①②两式联立得
(2)根据动能定理,颗粒落到水平传送带上满足
(3)在竖直方向颗粒作自由落体运动,它第一次落到水平传送带上沿竖直方向的速度 m/s.反弹高度第二次反弹高度
第二次反弹高度
根据题设条件,颗粒第n次反弹后上升的高度
当n=4时,hn<0.01 m
[物理--选修3-5]
(1)下列说法正确的是______.
A、光子像其他粒子一样,不但具有能量,也具有动量
B.玻尔认为,原子中电子轨道是量子化的,能量也是量子化的
C.将由放射性元素组成的化合物进行高温分解,会改变放射性元素的半衰期
D.原子核的质量大于组成它的核子的质量之和,这个现象叫做质量亏损
(2)如图所示,已知水平面上的P点右侧光滑,左侧与滑块间的动摩擦因数为μ.质量分别为m1和m2的两个滑块在水平面上P点的右侧分别以速度v1、v2向右运动,由于V1>V2而发生碰撞(碰撞前后两滑块的速度均在一条直线上).二者碰后m1继续向右运动,m2被右侧的墙以原速率弹回,再次与m1相碰,碰后m2恰好停止,而m1最终停在Q点.测得PQ间的距离为L.求第一次碰后滑块m1的速率.
正确答案
(1)A、光子像其他粒子一样,不但具有能量,也具有动量,故A正确
B、玻尔原子模型:电子的轨道是量子化,原子的能量是量子化,所以他提出能量量子化,故B正确
C、半衰期具有统计规律,只对大量的原子核适用,且半衰期的大小由原子核内部因素决定,与所处的物理环境和化学状态无关.故C错误
D、原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫做质量亏损.故D错误
故选AB.
(2)设第一次碰后m1滑块的速度大小为,滑块m2的速度大小为
,设向右为正方向,
根据动量守恒定律有m1v1+m2v2=m1+m2
…①
第二次碰撞 m1-m2
=-m1v3…②
m1过P点向左运动过程中,由动能定理得-μm1gL=0-m1
…③
解得:=
…④
故答案为:(1)AB(2)第一次碰后滑块m1的速度是=
.
如图所示,可视为质点的物块A、B、C放在倾角为θ=37°、长L=2.0m的固定斜面上,物块与斜面间的动摩擦因数μ=0.5,A与B紧靠在一起,C紧靠在固定挡板上,物块的质量分别为mA=0.8kg、mB=0.4kg,其中A不带电,B、C的带电量分别为q B=+4.0×10-5C、q C =+2.0×10-5C,且保持不变,开始时三个物块均能保持静止且与斜面间均无摩擦力作用.如果选定两点电荷在相距无穷远处的电势能为0,则相距为r时,两点电荷具有的电势能可表示为E p=k.现给A施加一平行于斜面向上的力F,使A在斜面上做加速度大小为a=2.5m/s2的匀加速直线运动,经过时间t0物体A、B分离并且力F变为恒力.当A运动到斜面顶端时撤去力F.已知静电力常量k=9.0×109N•m2/C2,g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8.求:
(1)未施加力F时物块B、C间的距离;
(2)t0时间内库仑力做的功;
(3)力F对A物块做的总功.
正确答案
(1)未施加力F时,A、B、C三者处于静止状态,设B、C间的距离为L1,对A、B组成的整体有,
(mA+mB)gsin37°=
解得:L1=1.0m.
(2)经过时间t1,设B、C间的距离变为L2,对B由牛顿第二定律有,
-mBgsin37°-μmBgcos37°=mBa,所以有:L2=1.2m.
从而库仑力做功,WE=k-k
=1.2J.
(3)设经过时间t1,力F做的功为W1,A、B的速度变为:v1=,
对A、B由动能定理,W1+WE-(mA+mB)g△Lsin37°-μ(mA+mB)gcos37°△L=(mA+mB)
解得:W1=1.8J;
A、B分离后,力F变为恒力,对A由牛顿第二定律得:
F-mAgsin37°-μmAcos37°=mAa,
所以力F做的功,W2=F(L-L2),
解得:W2=8.0J.
从而力F做的总功,W=W1+W2=9.8J.
答:
(1)未施加力F时物块B、C间的距离为1.0m;
(2)t0时间内库仑力做的功为1.2J;
(3)力F对A物块做的总功为9.8J.
德国科学家伦琴由于发现X射线而获得1901年的诺贝尔奖.图 是产生X射线的装置-X射线管,其灯丝K加热后发射出的电子,经高电压加速后,打到重金属阳极A上,发出X射线.一种X射线是由高速电子与靶原子碰撞时骤然减速产生的辐射,高速电子骤然减速时把它的动能的一部分或全部,以光子的形式辐射出去,即X射线.
(1)在图中的X射线管上标出,加速电压的正负极.
(2)如果要产生波长为6.0×10-2nm(1nm=1.0×10-9m)的X射线,加速电压至少应是多少?(结果要求2位有效数字.普朗克常量h=6.63×10-34J•s,真空中的光速c=3.00×108m/s.)
正确答案
(1)要使电子加速,电子带负电,则K接高压电源的负极,A接正极.
(2)由题可知,电子经高电压加速后,若把它的动能全部以光子的形式辐射出去,
有:eU=E…①
由:E=hv…②
c=λ•v…③
①、②、③式联立,解得:U=
代入数据,加速电压至少应是:U=2.1×104V
答:
(1)K接负A接正,在图中的X射线管上标出如图.
(2)如果要产生波长为6.0×10-2nm(1nm=1.0×10-9m)的X射线,加速电压至少应是2.1×104V.
如图(甲),MN、PQ两条平行的光滑金属轨道与水平面成θ=30°角固定,M、P之间接电阻箱R,电阻箱的阻值范围为0~4Ω,导轨所在空间存在匀强磁场,磁场方向垂直于轨道平面向上,磁感应强度为B=0.5T.质量为m的金属杆a b水平放置在轨道上,其接入电路的电阻值为r.现从静止释放杆a b,测得最大速度为vm.改变电阻箱的阻值R,得到vm与R的关系如图(乙)所示.已知轨距为L=2m,重力加速度g=l0m/s2,轨道足够长且电阻不计.
(1)当R=0时,求杆a b匀速下滑过程中产生感生电动势E的大小及杆中的电流方向;
(2)求金属杆的质量m和阻值r;
(3)求金属杆匀速下滑时电阻箱消耗电功率的最大值Pm;
(4)当R=4Ω时,求随着杆a b下滑回路瞬时电功率每增大1W的过程中合外力对杆做的功W.
正确答案
(1)由图可知,当R=0时,杆最终以v=2m/s匀速运动,产生电动势
E=BLv=0.5×2×2V=2V
由右手定则判断可知杆中电流方向从b→a
(2)设杆运动的最大速度为v,杆切割磁感线产生的感应电动势 E=BLv
由闭合电路的欧姆定律得:I=
杆达到最大速度时满足 mgsinθ-BIL=0
联立解得:v=R+
r
由图象可知:斜率为k=m/(s•Ω)=1m/(s•Ω),纵截距为v0=2m/s,
得到:r=v0
=k
解得:m=0.2kg,r=2Ω
(3)金属杆匀速下滑时电流恒定,则有 mgsinθ-BIL=0
得 I==1A
电阻箱消耗电功率的最大值Pm=I2Rm=4W
(4)由题意:E=BLv,P=
得 P=
瞬时电功率增大量△P=-
由动能定理得
W=m
-
m
比较上两式得 W=△P
代入解得 W=0.6J
答:(1)当R=0时,求杆a b匀速下滑过程中产生感生电动势E的大小2V,杆中电流方向从b→a.
(2)金属杆的质量m为0.2kg,阻值r是2Ω;
(3)金属杆匀速下滑时电阻箱消耗电功率的最大值Pm是4W.
(4)当R=4Ω时,随着杆a b下滑回路瞬时电功率每增大1W的过程中合外力对杆做的功W是0.6J.
电子以水平初速V0沿平行金属板中央射入,在金属板间加上如图所示的交变电压.已知电子质量为m,电量为e,电压周期为T,电压为U0,求:
(1)若电子从t=0时刻进入板间,在半周期内恰好能从板的上边缘飞出,则电子飞出速度多大.
(2)若电子在t=0时刻进入板间,能从板右边水平飞出,则金属板多长.
(3)若电子能从板右边O1水平飞出,电子应从哪一时刻进入板间,两板间距至少多大.
正确答案
(1)由动能定理得:e=
mV2-
mV02 ①
解得,V= ②
(2)粒子能水平从右边飞出,经过时间应满足:t=nT ③
又因水平方向匀速运动,所以板长为l:l=V0t=nV0T(n=1、2、3…)
(3)要粒子从O′点水平飞出,电子进入时刻应为:t=+n
=
T,n=0、1、2、3…
在半周期内竖直位移为y:y=2×a(
)2=
•
④
电子不与板相碰,必须满足条件:y≤ ⑤
由④⑤得:d≥
答:
(1)电子飞出速度为.
(2)电子在t=0时刻进入板间,能从板右边水平飞出,金属板长为nV0T(n=1、2、3…).
(3)两板间距至少
如图所示,一个质量为m的圆环套在一根固定的水平直杆上,环与杆的动摩擦因数为μ,现给环一个向右的初速度v0,如果环在运动过程中还受到一个方向始终竖直向上的力F的作用,已知F=kv(k为常数,v为速度),试讨论环在运动过程中克服摩擦力所做的功.(假设杆足够长)
正确答案
根据题意有对于小环的运动,根据环受竖直向上的拉力F与重力mg的大小分以下三种情况讨论:
(1)当mg=kv0时,即v0=时,环做匀速运动,Wf=0,环克服摩擦力所做的功为零
(2)当mg>kv0时,即v0<时,环在运动过程中做减速运动,直至静止.由动能定理得环克服摩擦力所做的功为Wf=
m
(3)当mg<kv0时,即v0>时,环在运动过程中先做减速运动,当速度减小至满足mg=kv时,即v=
时环开始做匀速运动.由动能定理得摩擦力做的功
Wf=mv2-
m
=
-
m
环克服摩擦力所做的功为m
-
答:环在运动过程中克服摩擦力所做的功为:
(1)v0=时,环做匀速运动,Wf=0,环克服摩擦力所做的功为零
(2)v0<时,环克服摩擦力所做的功为Wf=
m
(3)v0>时,环克服摩擦力所做的功为
m
-
如图所示,在光滑桌面上放着木板A,长度为L=1.0m,在木板A的左上端放一可视为质点的小金属块,它的质量和木板的质量相等,最初它们是静止的。现让小金属块以V0 =2.0m/s的初速度开始向右滑动,当滑动到木板A的右端时,滑块的速度为V1="1m/s," 取 g= l0m/s2,求:
小题1:小金属块刚滑过木板A时的速度及滑块与木板间的摩擦因数;
小题2:木板A的位移。
正确答案
小题1:1 m/s μ=0.1
小题2:0.5m
(1)由动能定理得:
FL-μmg L-mgh=0
所以h=0.15 m
(2)在曲面上滑动过程由机械能守恒定律得:
在桌面上滑动的过程由动量定理得
木板A的速度。摩擦因数为μ。由动量守恒定律和功能关系可得
mv0=mvl+mv2
解得: v2=1 m/s μ=0.1
(2)设木板的位移为s,由动能定理得
解得s=0.5m
长的轻绳,一端固定在O点,另一端系一质量为
小球,在O下方
处,将小球水平向右抛出,忽略空气阻力的影响,经过一段时间绳拉直,绳刚拉直时与竖直线夹角
,已知绳伸直的一瞬间,沿绳方向的速度瞬间减为零。求:
小题1:球水平抛出速度;
小题2:球摆到最低点时,绳所受拉力。
正确答案
小题1:
小题2:2mg
(1)
绳伸直之前速度设为
(也可用平抛求解)(2分)
此时与水平方向夹角为
,
即此时合速度,恰沿绳方向(2分)
从绳伸直后到运动到最低点
(2分)
对最低点
我国北方冬季天气寒冷,雪后路面结冰会给交通运输带来极大的影响.若汽车橡胶轮胎与普通路面的动摩擦因数为0.9,与冰面的动摩擦因数为0.1.当汽车以某一速度沿水平普通路面行驶时,急刹车后(设车轮立即停止转动),汽车要滑行8m才能停下.重力加速度g取10m/s2.求:
(1)汽车行驶时的速度大小;
(2)汽车在冰面上以同样速度行驶,急刹车后滑行的距离比普通路面增大多少.
正确答案
(1)汽车普通路面上刹车时,只有摩擦阻力对汽车做负功,根据动能定理有:
-μ1mgx1=0-m
得汽车的初速度为:v0==
m/s=12m/s
(2)汽车以初速度v0=12m/s在冰面上刹车时,只有阻力对汽车做负功,根据动能定理有:
-μ2mgx2=0-m
得汽车刹车位移为:x2==
m=72m
比普通路面多滑行:△x=x2-x1=72-8m=64m
答:(1)汽车行驶时的速度大小为12m/s;
(2)汽车在冰面上以同样速度行驶,急刹车后滑行的距离比普通路面增大64m.
如图所示,圆心角为90°的光滑圆弧形轨道,半径为1.6m,其底端切线沿水平方向.长为m的斜面,倾角为60°,其顶端与弧形轨道末端相接,斜面正中间有一竖直放置的直杆,现让质量为1Kg的物块从弧形轨道的顶端由静止开始滑下,物块离开弧形轨道后刚好能从直杆的顶端通过,重力加速度取10m/s2,求:
(1)物块滑到弧形轨道底端时对轨道的压力大小;(2)直杆的长度为多大.
正确答案
(1)沿弧形轨道下滑过程:mgR=mv2
在轨道最低点时:FN-mg=
解得:FN=mg+=30N
由牛顿第三定律可知物块对轨道的压力大小为30N
(2)根据平抛运动的规律
知x=Lcosθ=vt ①
y=gt2 ②
根据几何关系知h=Lsinθ-y ③
联立①②③式知h=2.1m
答:(1)物块滑到弧形轨道底端时对轨道的压力大小为30N;
(2)直杆的长度为2.1m.
某人以速度V0=4m/s将一个质量为M的小球在空中某处抛向空中,不计空气阻力,小球着地时的速度为V=8m/s,则抛点离地面的高度为多少?
正确答案
设抛点离地面的高度为h.
根据动能定理得:mgh=mv2-
m
得h=
代入解得,h=2.4m
答:抛点离地面的高度为2.4m.
一同学站在h1=12m高的阳台上,用玩具枪枪筒内的弹簧将质量为20g的弹丸以10m/s的速度水平射出,弹丸落入沙坑.最后这位同学在沙坑的沙面下竖直距离h2=10cm处找到了射出的弹丸.不计空气阻力,求:(g取10m/s2)
(1)玩具枪弹簧对弹丸所做的功;
(2)弹丸落到沙坑表面时的动能;
(3)弹丸克服沙坑阻力所做的功?
正确答案
(1)弹簧枪对弹丸所做的功等于弹丸射出弹簧枪时的动能,弹丸从弹簧枪膛射出处为A,由功能关系:
W=EKA=mvA2=1J
(2)选沙坑的沙面为重力势能的参考平面,弹丸从弹簧枪膛射出至落到沙面时(A到B)的过程中机械能守恒
初态机械能:EA=m vA2+mgh1
末态机械能:EB=mvB2
弹丸落到沙坑时的动能EB=EA=m vA2+mgh 1=3.4J
(3)弹丸在沙坑中运动(B到C)的过程,由动能定理
mgh2+W阻=0-m vB2
W阻=-3.42J
答:(1)玩具枪弹簧对弹丸所做的功为1J.
(2)弹丸落到沙坑表面时的动能为3.4J.
(3)弹丸克服沙坑阻力所做的功为3.42J.
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