- 机械能守恒定律
- 共29368题
在竖直平面内,有一光滑的弧形轨道AB,水平轨道BC=3m.质量m=1kg的物体,从弧形轨道A点无初速滑下,经过B点,最后停在C点.A点距水平轨道高h=0.80m(g=10m/s2).
求:(1)物体滑至B点的速度大小.
(2)在BC段摩擦力做多少功?
正确答案
(1)物体从A到B过程,根据动能定理有:mgh=m
可得物体到达B点的速度v=4m/s.
(2)从B到C根据动能定理得摩擦力做的功:=0-
,解得
=-8J.
答:(1)物体滑至B点的速度大小为4m/s.
(2)在BC段摩擦力做-8J的功.
如图所示,水平放置的圆盘上,在其边缘C点固定一个小桶,桶的高度不计,圆盘半径为R=1m,在圆盘直径CD的正上方,与CD平行放置一条水平滑道AB,滑道右端B与圆盘圆心O在同一竖直线上,且B点距离圆盘圆心的竖直高度h=1.25m,在滑道左端静止放置质量为m=0.4kg的物块(可视为质点),物块与滑道的动摩擦因数为μ=0.2,现用力F=4N的水平作用力拉动物块,同时圆盘从图示位置,以角速度ω=2πrad/s,绕通过圆心O的竖直轴匀速转动,拉力作用在物块一段时间后撤掉,最终物块由B点水平抛出,恰好落入圆盘边缘的小桶内.重力加速度取10m/s2.求:(1)求拉力作用的最短时间;
(2)若拉力作用时间为0.5s,求所需滑道的长度;
(3)在(2)问的前提下,圆盘转动的圈数.
正确答案
(1)物块平抛:h=gt2;
t==
=0.5s
物块离开滑道时的速度:v==2m/s;
拉动物块的加速度,由牛顿第二定律:F-µmg=ma1
代入数据解得:a1==
=8m/s2
撤去外力后,由牛顿第二定律:-μmg=ma2;
得:a2=-0.2×10=-2m/s2
盘转过一圈时落入,拉力时间最短,有:
T==
=1s,
物块在滑道上先加速后减速,有:v0=a1t1+a2t2=8t1-2t2
故4t1-t2=1;
物块滑行时间、抛出在空中时间与圆盘周期关系:t1+t2+t=T,
联立并代入数据得:t1=0.3s.
(2)若拉力时间为0.5s,则加速位移为:x1=a1t2=
×8×0.25=1m;
加速的末速度为:v1=a1t=8×0.5=4m/s;
减速过程的位移为:x2==
m/s=3m;
木板的长度为:x=x1+x2=1+3=4m;
(3)拉力的时间为0.5s,减速时间为:t3==
s=1s;
时间为:t4=0.5+t3=0.5+1=1.5s;
故转过的圈数为:n==1.5圈;
答:(1)拉力作用的最短时间为0.3s;
(2)木板的长度为4m;
(3)圆盘转过了1.5圉.
如图所示,水平绝缘光滑轨道AB与处于竖直平面内的圆弧形v绝缘光滑轨道BCD平滑连接,圆弧形轨道的半径R=0.30m.轨道所在空间存在水平向右的匀强电场,电场强度E=1.0×107 N/C.现有一电荷量q=-4.0×10-7C,质量m=0.30kg的带电体(可视为质点),在水平轨道上的P点以某一水平初速度v0向右运动,若带电体恰好可以沿圆弧轨道运动到D点,并在离开D点后,落回到水平面上的P点.,已知OD与OC的夹角θ=37°,求:
(1)P、B两点间的距离x;
(2)带电体经过C点时对轨道的压力;
(3)小球的初速度v0的值.
正确答案
(1)等效重力mg′==5N,方向:垂直OD斜向下
故根据几何关系,有
x=+
=0.9m
即PB间距为0.9.
(2)令电荷经过等效最高点K的速度为v,如图
则在K点重力恰好提供向心力
=mg′ ①
从k到c过程,根据动能定理,有
mvc2-
mv2=mg′R(1-sin37°)
在C点重力和弹力的合力提供向心力,有
=FN+mg
解得:FN=6N
故带电体经过C点时对轨道的压力为6N.
(3)对从A大K过程运用动能定理,得到
mv2-
mv02=-mg′(x+R) ②
由①②,解得
v0=3m/s
故小球的初速度v0的值为3m/s.
如图所示,固定在地面上的光滑轨道AB、CD,均是半径为R的圆弧.一质量为m、上表面长也为R的小车静止在光滑水平面EF上,小车上表面与轨道AB、CD的末端B、C相切.一质量为m的物体(大小不计)从轨道AB的A点由静止下滑,由末端B滑上小车,小车在摩擦力的作用下向右运动.当小车右端与壁CF接触前的瞬间,物体m恰好滑动到小车右端相对于小车静止,同时小车与CF相碰后立即停止运动但不粘连,物体则继续滑上轨道CD.求:
(1)物体滑上轨道CD前的瞬间时速率;
(2)水平面EF的长度;
(3)当物体再从轨道CD滑下并滑上小车后,如果小车与壁BE相碰后速度也立即变为零,最后物体m停在小车上的Q点,则Q点距小车右端多远?
正确答案
(1)设物体从A滑至B时速率为Vo,根据机械能守恒定律有:mgR=mvo2
vo=
物体与小车相互作用过程中,系统动量守恒,设共同速度为V1,有:mvo=2mv1
解得物体滑上轨道CD前的瞬间时速率:v1=
(2)设二者之间的摩擦力为f,根据动能定理有,
对物体有:-fSEF=mv12-
mvo2
对小车有:f(SEF-R)=mv12
(或对系统根据能量守恒定律有:fR=mvo2-
2mv12)
得f=mg
SEF=R
(3)设物体从CD滑下后与小车达到相对静止,共同速度为V2,相对小车滑行的距离为S1,小车停后物体做匀减速运动,相对小车滑行距离为S2,根据动量守恒和能量守恒有:
mv1=2mv2fS1=mv12-
2mv22
对物体根据动能定理有:fS2=mv22
解得S1=RS2=
R
则Q点距小车右端距离:S=S1+S2=R
答:(1)物体滑上轨道CD前的瞬间时速率v1=.
(2)水平面EF的长度为R.
(3)最后物体m停在小车上的Q点,则Q点距小车右端R.
如图所示,粗糙程度均匀的绝缘斜面下方O点处有一正点电荷,D点为O点在斜面上的垂足,OM=ON.带负电的小物体以初速度v1=5m/s从M点沿斜面上滑,到达N点时速度恰好为零,然后又滑回到M点时速度大小变为v2=3m/s.若小物体电荷量保持不变,可视为点电荷.
(1)带负电的小物体从M向N运动的过程中电势能如何变化?电场力共做多少功?
(2)N点离斜面底边的高度h为多少?
(3)若物体第一次到达D点时速度为v=4m/s,求物体第二次到达D点时的速度v′.
正确答案
(1)电场力先做正功再做负功,电势能先减少后增加,
由于M、N为等势点,所以带电体在两点间运动时电场力做功为0
(2)设物体从M到N时,克服摩擦力做的功为Wf.
当物体从M到N时,由动能定理有:0-mv12=-mgh-Wf
当物体从N到M时,由动能定理有:mv22-0=mgh-Wf
联立解得:h==0.85m.
(3)由对称性可知从M到D以及从N到D克服摩擦力做功相等都为.
M到D:mv2-
mv12=-mg
-
+W电
N到D:mv′2-0=mg
-
+W电
把h代入可得:mv′2-
mv2+
mv12=
m(v12+v22)
v′==2
m/s.
答:(1)电势能先减少后增加,电场力共做功0J.
(2)N点离斜面底边的高度h为0.85m.
(3)物体第二次到达D点时的速度为2m/s.
如图所示为研究某种弹射装置的示意图,光滑的水平导轨MN右端N处与水平传送带理想连接,传送带足够长,皮带轮沿逆时针方向转动,带动皮带以恒定速度v=2.0m/s匀速传动.三个质量均为m=1.0kg的滑块A、B、C置于水平导轨上,开始时在B、C间有一压缩的轻弹簧,两滑块用细绳相连处于静止状态.滑块A以初速度v0=4.0m/s沿B、C连线方向向B运动,A与B碰撞后粘合在一起,碰撞时间极短,可认为A与B碰撞过程中滑块C的速度仍为零.因碰撞使连接B、C的细绳受扰动而突然断开,弹簧伸展,从而使C与A、B分离.滑块C脱离弹簧后以速度vC=4.0m/s滑上传送带.已知滑块C与传送带间的动摩擦因数μ=0.20,重力加速度g取10m/s2.
(1)求滑块C在传送带上向右滑动距N点的最远距离sm;
(2)求弹簧锁定时的弹性势能Ep;
(3)求滑块C在传送带上运动的整个过程中与传送带之间因摩擦产生的内能Q.
正确答案
(1)滑块C滑上传送带做匀减速运动,当速度减为零时,滑动的距离最远.
由动能定理 -μmgsm=0-m
解得sm=4.0 m
(2)设A、B碰撞后的速度为v1,A、B与C分离时的速度为v2,由动量守恒定律
mv0=2mv1
2mv1=2mv2+mvC
解得v1=v0,v2=0
由能量守恒定律
Ep+×2mv12=
×2mv22+
mvC2
解得Ep=4.0 J
(3)滑块在传送带上向右匀减速运动,设滑块C在传送带上运动的加速度为a,滑块速度减为零的时间为t1,向右的位移为s1,在同样时间内传送带向左的位移为x1,根据牛顿第二定律和运动学公式
a==2m/s2.
滑块C速度减小到零所需的时间t1==2s.
滑块的位移s1==
m=4m.
传送带的位移x1=vt1=2×2m=4m,
相对路程△x1=s1+x1=8m.
然后滑块返回做匀加速直线运动,当速度达到传送带速度一起做匀速直线运动.
匀加速直线运动的时间t2==
s=1s,
滑块C的位移s2=at22=
×2×1m=1m.
传送带的位移x2=vt2=2m
相对路程△x2=x2-s2=1m.
则摩擦产生的内能Q=μmg(△x1+△x2)=0.2×10×9J=18J.
答:(1)滑块C在传送带上向右滑动距N点的最远距离为4.0m.
(2)弹簧锁定时的弹性势能为4.0J.
(3)滑块C在传送带上运动的整个过程中与传送带之间因摩擦产生的内能为4.0J.
质量为500吨的机车以恒定的功率由静止出发,经5min行驶2.25km,速度达到最大值54km/h,设阻力恒定.问:
(1)机车的功率P多大?
(2)机车的速度为36km/h时机车的加速度a多大?
正确答案
(1)机车的最大速度为vm=54km/h=15m/s.
以机车为研究对象,机车从静止出发至达速度最大值过程,根据动能定理得
Pt-fx=m
当机车达到最大速度时P=Fvm=fvm
由以上两式得P==3.75×105W
(2)机车匀速运动时,阻力为f=F==2.5×104N
当机车速度v=36km/h时机车的牵引力为F1==3.75×104N
根据牛顿第二定律F1-f=ma
得 a=2.5×10-2m/s2答:(1)机车的功率P是3.75×105W.
(2)机车的速度为36km/h时机车的加速度a为2.5×10-2m/s2.
如图所示;“U”形框架由两平行金属板A、B和绝缘底座P组成,在金属板A、B上同一高度处开有两个小孔M、N,并在M、N之间固定一绝缘光滑平板,整个装置静止固定在水平面上.两平行金属板A、B接上电压为150KV的稳压电源,两金属板间距为d=0.1m.现有一电荷分布均匀的带电量为q=5×10-5C,质量为m=0.01kg,长度为l=0.04m的绝缘橡胶棒以v0=10m/s的速度由右边小孔水平滑入“U”形框架中,设绝缘棒的电荷量对“U”形框架内的电场没有影响.问:
(1)橡胶棒刚好全部进入“U”形框架内的加速度
(2)橡胶棒刚好全部进入“U”形框架内的速度.
(3)橡胶棒与“U”形框架相互作用过程中增加的最大电势能.
正确答案
(1)金属板间的电场强度为E==
V/m=1.5×106V/m
由牛顿第二定律得:a==
m/s2=7.5×103m/s2
(2)设带电橡胶棒刚好全部进入“U”形框架时,则由动能定理:
-L=
mv2-
m
解得:v==
m/s=0m/s
(3)增加电势能的最大值等于动能减小的最大值:
△Ep=△Ek=m
=
×0.01×300J=1.5J
答:
(1)橡胶棒刚好全部进入“U”形框架内的加速度为7.5×103m/s2.
(2)橡胶棒刚好全部进入“U”形框架内的速度是0.
(3)橡胶棒与“U”形框架相互作用过程中增加的最大电势能是1.5J.
如图所示,在竖直放置的铅屏A的右表面上贴着β 射线放射源P,已知β 射线实质为高速电子流,放射源放出β 粒子的速度v0=1.0×107m/s.足够大的荧光屏M与铅屏A平行放置,相距d=2.0×10-2m,其间有水平向左的匀强电场,电场强度大小E=2.5×104N/C.已知电子电量e=1.6×10-19C,电子质量取m=9.0×10-31kg.求
(1)电子到达荧光屏M上的动能;
(2)荧光屏上的发光面积.
正确答案
(1)由动能定理:
eEd=EK-m
解得:EK=×9×10-31×(1.0×107)2+1.6×10-19×2.5×104×2×-2
=1.25×10-16J
(2)射线在A、B间电场中被加速,除平行于电场线的电子流外,其余均在电场中偏转,
其中和铅屏A平行的电子流在纵向偏移距离最大(相当于平抛运动水平射程).
位移则有,d=•
•t2t=3×10-9s
r=v0t=1.0×107×3×10-9=3×10-2m
在荧光屏上观察到的范围是半径为3.125×10-2米的圆
圆面积 S=πr2=2.83×10-3m2
答:(1)电子到达荧光屏M上的动能1.25×10-16J;
(2)荧光屏上的发光面积2.83×10-3m2.
如图所示,物体在离斜面底端4 m处由静止滑下,若动摩擦因数均为0.5,斜面倾角为37°,斜面与平面间由一小段圆弧连接,求物体能在水平面上滑行多远。
正确答案
解:物体在斜面上受重力、支持力1、摩擦力1的作用,沿斜面加速下滑(因μ=0.5
对物体
在斜面上时进行受力分析,如图甲所示
下滑阶段:1=cos37°
故1=μ1=μcos37°
由动能定理得:sin37°1-μcos37°1=-0 ①
在水平运动过程中受力分析如图乙所示
2=μ2=μ由动能定理得-μ2=0-②
由①②式可得2=1=
×4 m=1.6 m
法二:对物体受力分析同上
物体运动的全过程中,初、末状态速度均为零,对全过程应用动能定理
sin37°1-μcos37°1-μ2=0
得2=1=
×4 m=1.6 m
一列车沿平直铁轨行驶,车厢所受阻力大小恒为 F'=2×103 N从车站开出时车头对车厢的牵引力恒为F=6× 103 N,当行驶一段距离s1= 50 m后,车厢与车头脱钩,求脱钩后车厢继续向前滑行的距离s2.
正确答案
解:
方法一:选车厢为研究对象,把它的运动过程分成两段.
对脱钩前做匀加速运动的过程,牵引力做正功,阻力做负功,重力和支持力都不做功,始态速度为0,终态速度为v,根据动能定理有: ①
对于脱钩后做匀减速运动的过程,阻力做负功,重力和支持力不做功;终态速度为0,始态速度为v,根据动能定理有: ②
由①②得s2=100m.
方法二:取全过程研究,据动能定理得
Fs1-F'(s1+s2)=0.
解得s2=100m.
质量为8×107kg的列车,从某处开始进站并关闭发动机,只在恒定阻力作用下减速滑行。已知它开始滑行时的初速度为20m/s,当它滑行了300m时,速度减小到10m/s,接着又滑行了一段距离后刚好到达站台停下,那么:
(1)关闭动力时列车的初动能为多大?
(2)列车受到的恒定阻力为多大?
(3)列车进站滑行的总时间为多大?
正确答案
解:(1)列车的初动能J=1.6×1010 J
(2)由动能定理有:
解得列车受到的阻力N=4×107N
(3)由动量定理有:-ft=mvt-mv0
解得列车滑行的总时间s=40 s
如图所示,小球从高为h的斜面上的A 点,由静止开始滑下,经B点在水平面上滑到C点后停止,现在要使物体由C点沿原路径回到A点时速度为零,那么必须给小球以多大的初速度?(设小球经过B点处无能量损失)
正确答案
解:以小球为研究对象,在斜面上和水平面上它都受到重力、支持力、摩擦力三个力作用,在整个运动过程中支持力始终垂直于运动方向不做功,重力做正功,摩擦力做负功,由动能定理可知在下滑到C点静止的过程中有:W重-W阻=0,
所以W阻= W重=mgh,
当它沿原路径返回时,摩擦力所做负功与滑下过程完全相同,而此时重力也做负功,由动能定理得:- W重- W阻=0 - ,所以
=2W重=2mgh,
解得
即要使小球从C点沿原路径返回到A点时速度为零,必须给小球以的初速度.
质量为0.5kg的小球,从某高处由静止开始下落,下落过程中小球受到大小为1N的恒定的空气阻力。若小球落地速度为16m/s。求:
(1)小球下落的高度?
(2)小球下落过程中损失了多少机械能?(g=10m/s2)
正确答案
解:(1)以竖直向下为正方向,根据动能定理
代入数值,解得h=16m
(2)小球减少的机械能为
(20分)如图所示,两根足够长且平行的光滑金属导轨所在平面与水平面成α=53°角,导轨间接一阻值为3Ω的电阻R,导轨电阻忽略不计。在两平行虚线间有一与导轨所在平面垂直的匀强磁场,磁场区域的宽度为d="0." 5m。导体棒a的质量为m1=0.1kg、电阻为R1=6Ω;导体棒b的质量为m2=0.2kg、电阻为R2=3Ω,它们分别垂直导轨放置并始终与导轨接触良好。现从图中的M、N处同时将a、b由静止释放,运动过程中它们都能匀速穿过磁场区域,且当a刚出磁场时b正好进入磁场。(sin53°=0.8,cos53°=0.6,g取10m/s2,a、b电流间的相互作用不计),求:
(1)在b穿越磁场的过程中a、b两导体棒上产生的热量之比;
(2)在a、b两导体棒穿过磁场区域的整个过程中,装置上产生的热量;
(3)M、N两点之间的距离。
正确答案
(1) (2)1.2J (3)
试题分析:(1)由题意知,当b在磁场中运动的过程中,a与电阻R并联,然后与b串联,故a、b中电流
,再根据Q=I2Rt,可求产生的热量之比
(2)设整个过程中装置上产生的热量为Q,由,可解得Q=1.2J
(3)设a进入磁场的速度大小为v1,此时电路中的总电阻R总1=7.5Ω
b进入磁场的速度大小为v2,此时电路中的总电阻R总2=5Ω
由和
,可得
又由,解得
,
M、N两点之间的距离
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