- 机械能守恒定律
- 共29368题
如图在水平地面上固定一倾角为30°的光滑绝缘斜面,斜面处于电场强度大小为1000N/C、方向沿斜面向下的匀强电场中,一劲度系数为100N/m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1kg、带正电电量为5X10-3C的滑块从距离弹簧上端为5cm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g=10m/s2.
(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t
(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m/s,求滑块从静止释放到速度最大过程中弹簧的弹力所做的功W.
正确答案
(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,
qE+mgsinθ=ma ①
s0=at2 ②
有①②联立解得
t=0.1s
(2)滑块速度最大时受力平衡,设此时弹簧压缩量为x0,则有
mgsinθ+qE=kx0 ③
从静止释放到速度达到最大的过程中,由动能定理得
(mgsinθ+qE)•(s0+x0)+W=-0 ④
联立③④可得
W=-(mgsinθ+qE)•(s0+
)
W=-0.5J
答:(1)经历的时间为0.1s
(2)弹簧弹力做功为-0.5J
在如图所示的电路中,两平行正对金属板A、B水平放置,两板间的距离d=4.0cm.电源电动势E=400V,内电阻r=20Ω,电阻R1=1980Ω.闭合开关S,待电路稳定后,将一带正电的小球(可视为质点)从B板上的小孔以初速度v0=1.0m/s竖直向上射入两板间,小球恰好能到达A板.若小球所带电荷量q=1.0×10-7C,质量m=2.0×10-4kg,不考虑空气阻力,忽略射入小球对电路的影响,取g=10m/s2.求:
(1)A、B两金属板间的电压的大小U;
(2)滑动变阻器消耗的电功率P滑;
(3)电源的效率η.
正确答案
(1)小球从B板上的小孔射入恰好到达A板的过程中,在电场力和重力的作用下做匀减速直线运动,设A、B两极板间电压为U,根据动能定理有
-qU-mgd=0-mv02
解得U=200V
(2)设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为R滑,根据闭合电 路欧姆定律可知,电路中的电流
得 I=
根据部分电路欧姆定律可知 U=IR滑
解得 R滑=2.0×103Ω
滑动变阻器消耗的电功率 P滑==20W
(3)电源的效率η==
=99.5%
答:
(1)A、B两金属板间的电压的大小U是200V;
(2)滑动变阻器消耗的电功率P滑是2.0×103Ω.
(3)电源的效率η是99.5%.
(15分)如图所示,光滑绝缘水平桌面上的A、B、C三点是等腰直角三角形的三个顶点,AD为三角形的高,∠BAC=90°,BC=0.8m,空间存在方向与BC平行的匀强电场.将质量为、电荷量为
的小球由A点移到B点,电势能增加
.求:
(1)匀强电场的场强大小;
(2)A、B两点间的电势差UAB;
(3)将小球从B处静止释放,运动到C处时的动能.
正确答案
(1)(2)
(3)
试题分析:(1)由 ………………………………………………2分
………………………………………………2分
………………………………1分
(2) ………………………………………………5分
(3) ………………………………………………5分
质量为3×106 kg的列车,在恒定功率下,沿平直的轨道由静止出发,在行驶过程中受到的阻力恒定,经1×103S后达到最大行驶速度72km/h,此时司机关闭发动机,列车继续滑行4km停下来,求:
(1)列车在行驶过程中受到的阻力;
(2)列车的恒定功率.
(3)列车在加速过程中行驶的距离.
正确答案
(1)对于关闭发动机过程,由动能定理得:
-fs=0-m
解得,f==
N=1.5×105N
(2)列车匀速运动时,F=f,列车的恒定功率为P=Fvm=fvm=3×106W
(3)列车在加速过程中,由动能定理得:
Pt-fS=m
代入解得,S=1.6×104m
答:
(1)列车在行驶过程中受到的阻力是1.5×105N;
(2)列车的恒定功率是3×106W.
(3)列车在加速过程中行驶的距离是1.6×104m.
A:如图所示,长木板A上右端有一物块B,它们一起在光滑的水平面上向左做匀速运动,速度v0=2m/s.木板左侧有一个与木板A等高的固定物体C.已知长木板A的质量为mA=1.0kg,物块B的质量为mB=3.0kg,物块B与木板A间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10m/s2.
(1)若木板A足够长,A与C第一次碰撞后,A立即与C粘在一起,求物块 B在木板A上滑行的距离L应是多少;
(2)若木板足够长,A与C发生碰撞后弹回(碰撞时间极短,没有机械能损失),求第一次碰撞后A、B具有共同运动的速度v;
(3)若木板A长为0.51m,且A与C每次碰撞均无机械能损失,求A与C碰撞几次,B可脱离A?
B:如图所示,长木板A上右端有一物块B,它们一起在光滑的水平面上向左做匀速运动,速度v0=2m/s.木板左侧有与A等高的物体C.已知长木板A的质量为mA=1kg,物块B的质量为mB=3kg,物块C的质量为mc=2kg,物块B与木板A间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10m/s2.
(1)若木板足够长,A与C碰撞后立即粘在一起,求物块B在木板A上滑行的距离L;
(2)若木板A足够长,A与C发生弹性碰撞(碰撞时间极短,没有机械能的损失),求第一次碰撞后物块B在木板A上滑行的距离L1;
(3)木板A是否还能与物块C再次碰撞?试陈述理由.
正确答案
A:(1)A与C碰撞后速度即变为0,而B将继续运动,受摩擦力作用,速度由v0减到0,
由动能定理::μmBgL=mB
解得:L=0.40m
(2)A与C发生弹性碰撞后,速度大小仍为v0,方向相反,以A、B为研究对象,设A、B有共同的速度v,水平方向不受外力作用,系统动量守恒,设向左为正,有:
mBv0-mAv0=(mA+mB)v
得:v==
=1 m/s,方向水平向左
(3)第一次A与C碰后,A、B有共同的速度v,B在A上相对于A滑行L1,则
μmBgL1=mA
+
mB
-
(mA+mB)v2
解得:L1=0.40m
第二次A与C碰后至A、B有共同的速度v',B在A上相对于A滑行L2,则
mBv-mAv=(mA+mB)v'
μmBgL2=mAv2+
mBv2-
(mA+mB)v′2
由以上两式,可得L2=0.10m
设第三次A与C碰后,A、B仍有共同的速度v'',B在A上相对于A滑行L3,则
mBv'-mAv'=(mA+mB)v''
μmBgL3=mAv′2+
mBv′2-
(mA+mB)v′′2
由以上两式,可得:L3=0.025m
则 L1+L2+L3=0.525m>0.51m
即第三次碰后B可脱离A板
答:(1)若木板A足够长,A与C第一次碰撞后,A立即与C粘在一起,物块 B在木板A上滑行的距离L为0.4m;
(2)若木板足够长,A与C发生碰撞后弹回(碰撞时间极短,没有机械能损失),第一次碰撞后A、B具有共同运动的速度为1 m/s,方向水平向左;
(3)若木板A长为0.51m,且A与C每次碰撞均无机械能损失,A与C碰撞3次,B可脱离A.
B:(1)A与C碰撞后瞬间动量守恒,则有:
(mA+mC)v1=mAv0
解得:v1=m/s
最终ABC三者速度相等,根据动量守恒定律得:
(mA+mB+mC)v2=(mA+mB)v0
解得:v2=m/s
根据摩擦力产生的热量等于AB作用时动能的减小量,即有:
μmBgL=(mA+mC)v12+
1
2
mBv02-(mA+vB+mC)v22
解得:L=m
(2)A与C发生弹性碰撞后,动量守恒,能量守恒,则有:
mAvA+mCvC=mAv0
1
2
mAvA2+
1
2
mCvC2=
1
2
mAv02
解得:vA=-m/s
vC=m/s
之后AB组成的系统动量守恒,设共同速度为v,则有:
mAvA+mBv0=(mA+mB)v
解得:v=m/s
根据摩擦力产生的热量等于AB作用时动能的减小量,即有:
μmBgL1=mAvA2+
1
2
mBv02-(mA+vB )v 2
解得:
L1=m
(3)不能,因为碰后物块C的速度为m/s,木板和物块B的共同速度也是
m/s,不会再碰撞.
答:(1)若木板足够长,A与C碰撞后立即粘在一起,物块B在木板A上滑行的距离L为m;
(2)若木板A足够长,A与C发生弹性碰撞(碰撞时间极短,没有机械能的损失),第一次碰撞后物块B在木板A上滑行的距离为m;
(3)木板A不能与物块C再次碰撞.
“神舟七号”返回舱可利用降落伞系统和缓冲发动机降低着陆阶段的下降速度.已知返回舱的质量为M,降落伞的质量为m,忽略返回舱受到的空气阻力及浮力,返回舱着陆阶段可认为是竖直降落的.
(1)假设降落伞打开后,降落伞受到空气阻力的大小与返回舱下降速度的二次方成正比,比例系数为k.由于空气阻力对降落伞的作用,可以使返回舱在离开地面比较高的地方就成为匀速下降的状态,求匀速下降的速度v.
(2)当匀速下降到离开地面高度为h的时候,返回舱自动割断伞绳,启动缓冲发动机,使返回舱获得一个竖直向上的恒定推力F,返回舱开始减速下降,下降过程中可认为返回舱的质量不变.当返回舱着陆时关闭缓冲发动机,此时返回舱的速度减为v′,求缓冲发动机推力F 的大小.
正确答案
(1)由题意,返回舱在离开地面比较高的地方做匀速直线运动,根据共点力平衡条件得
(M+m)g-kv2=0
解得,v=
(2)返回舱着陆时启动缓冲发动机过程,根据动能定理得:
(Mg-F)h=Mv′2-
Mv2
解得 F=Mg-
答:
(1)匀速下降的速度v为.
(2)缓冲发动机推力F 的大小为Mg-.
某人从高为h的地方以初速度v0向某一方向迅速抛出一个质量为m的物体,该物体着地时的速度为v0.求:
(1)人在抛出物体时所做的功.(2)物体在空中运动过程中,克服空气阻力所做的功.
正确答案
(1)人抛出物体可以看成是物体从静止到获得一定速度的很短过程.
应用动能定理研究人抛物体的过程:
人对物体做的功 W=m
(2)从抛出到落地对物体应用动能定理:
mgh+Wf=m
-
m
Wf=-mgh
所以 克服空气阻力做功为mgh.
答:(1)人在抛出物体时所做的功为m
.
(2)物体在空中运动过程中,克服空气阻力所做的功为mgh.
两根粗糙的金属导轨平行放置在倾角为θ=30°的斜面上,导轨左端接有电阻R=10Ω,导轨自身电阻忽略不计.匀强磁场垂直于斜面向上,磁感强度B=0.5T.质量为m=0.1kg,电阻可不计的金属棒ab静止释放,沿导轨下滑.如图所示,设导轨足够长,导轨宽度L=2m,金属棒ab下滑过程中始终与导轨接触良好,当金属棒下滑h=3m时,速度恰好达到最大值v=2m/s.求:
(1)下降h过程中,电阻R的最大热功率为多大;
(2)静止释放时的加速度;
(3)此过程中电阻中产生的热量.
正确答案
(1)据法拉第电磁感应定律:E=BLv 据闭合电路欧姆定律:I=
∴电阻R的最大热功率为 P=I2R=0.4w
(2)当金属棒速度恰好达到最大速度时,受力分析,则有
mgsinθ=F安+f
又安培力大小为 F安=ILB==0.2N
则得 f=mgsinθ-F安=0.3N
金属棒由静止释放时,由牛顿第二定律得
mgsinθ-f=ma 得a=2m/s2
(3)金属棒下滑过程中,据动能定理得:
mgh-f -W=
mv2
解得 W=1J,
∴此过程中电阻中产生的热量Q=W=1J
答:
(1)下降h过程中,电阻R的最大热功率为0.4w;
(2)静止释放时的加速度是2m/s2;
(3)此过程中电阻中产生的热量是1J.
长木板AB放在水平面上,如图所示,它的下表面光滑而上表面粗糙,一个质量为m、电量为q的小物块C从A端以某一初速起动向右滑行.当存在向下的匀强电场时,C恰能滑到B端,当此电场方向改为向上时,C只能滑到AB的中点,求此电场的场强.
正确答案
由题设条件判断可知,带电粒子应带负电.
设动摩擦因数为μ,场强大小为E,板长为L,物体的初速度为v.D在匀强磁场竖直向下时,在板上滑行后达到共同速度v',据动量定理有
mv=(m+M)v′
而小物块C在板AB上的相对位移为L.据功能关系有
μ(mg-qE)L=mv2-
(m+M)v′2 ①
当匀强电场变为竖直向上时,小物块C在板上滑行后也最终达到共同速度v′
根据小物块C在板AB的相对位移只有L/2,用功能关系可得
μ(mg+qE)•L=
mv2-
(m+M)v′2 ②
①式比②式得=
得E=
答:此电场的场强为.
初速度为零的电子,经过电压为U1=500V的电场加速作用后,从离两平行金属距离相等的地方垂直于匀强电场飞入两板之间,如图所示.若两平行金属板之间的距离为d=1cm,板长l=5cm,则在两平行金属板上至少加多大电压U2才能使电子不再飞出两平行金属板?
正确答案
设电子的质量为m,初速度为零的电子经过电压为U1=500V的电场加速作用后速度为v0,
则根据动能定理可得,
(-U1)(-e)=m
设电子刚好不飞出两平行金属板时的加速度为,电子在偏转电场中运动的时间为,
则根据牛顿第二定律和运动学公式可得,
e=ma
运动的水平位移,l=v0t
竖直位移,=
at2
联立以上四式可得
U2=2()2U1
代入数据,解得:U2=40V
答:至少加40V电压U2才能使电子不再飞出两平行金属板.
(12分) 如图甲所示,场强大小为E、方向竖直向上的匀强电场内存在着一半径为R的圆形区域,O点为该圆形区域的圆心,A点是圆形区域的最低点,B点是圆形区域最右侧的点。在A点有放射源释放出初速度大小不同、方向均垂直于场强向右的正电荷,电荷的质量均为m,电量均为q,不计重力。试求:
(1)运动轨迹经过B点的电荷在A点时的速度多大?
(2)若在圆形区域的边缘有一圆弧形接收屏CBD,B点仍是圆形区域最右侧的点,C、D分别为接收屏上最边缘的两点,如图乙所示,∠COB=∠BOD=37°。求该屏上接收到的电荷的末动能大小的范围。( 提示:sin37°=0.6,cos37°=0.8。)
正确答案
(1);(2)
试题分析:(1)电荷在电场中只受电场力作用,由牛顿第二定律可知:
电荷在电场中做类平抛运动,设其在A点的速度为,则:
水平方向有:
竖直方向有:
联立可解得:
(2)设圆周上任意点P与OA成θ角,如下图所示,电荷以初速度 由A运动到P时间为t0,则:
水平方向有:
竖直方向有:
电荷在A点的动能:
对电荷由A运动到P点使用动能定理有:
联立可解得:
由此可知,角增大,动能增大,故可知D点接收到的电荷的末动能最小,C点接收到的电荷的末动能最大;
最小动能为:
最大动能为:
(18分)在“极限”运动会中,有一个在钢索桥上的比赛项目.如图所示,总长为的均匀粗钢丝绳固定在等高的
、
处,钢丝绳最低点与固定点
、
的高度差为
,动滑轮起点在
处,并可沿钢丝绳滑动,钢丝绳最低点距离水面也为
.若质量为
的人抓住滑轮下方的挂钩由
点静止滑下,最远能到达右侧
点,
、
间钢丝绳相距为
,高度差为
.若参赛者在运动过程中始终处于竖直状态,抓住滑轮的手与脚底之间的距离也为
,滑轮与钢丝绳间的摩擦力大小视为不变,且摩擦力所做功与滑过的路程成正比,不计参赛者在运动中受到的空气阻力、滑轮(含挂钩)的质量和大小,不考虑钢索桥的摆动及形变.
(1)滑轮与钢丝绳间的摩擦力是多大?
(2)若参赛者不依靠外界帮助要到达点,则人在
点处抓住挂钩时至少应该具有多大的初动能?
(3)比赛规定参赛者须在钢丝绳最低点脱钩并到达与钢丝绳最低点水平相距为、宽度为
,厚度不计的海绵垫子上.若参赛者由
点静止滑下,会落在海绵垫子左侧的水中.为了能落到海绵垫子上,参赛者在
点抓住挂钩时应具有初动能的范围?
正确答案
(1) (2)
(3)
试题分析: (1)根据动能定理,参赛者在A到C的过程中满足 (2分)
将,
代入,可得滑轮与钢丝绳间的摩擦力
① (2分)
(2)根据动能定理,参赛者在A到B的过程中满足 (2分)
将①式代入,得 ② (2分)
(3)参赛者落到海绵垫的过程是平抛运动。设人脱离钢索时的速度为,运动的水平位移为
,则
③ (1分)
④ (2分)
由题意知,时,参赛者具有的最小速度为
⑤ (1分)
时,参赛者具有的最大速度为
⑥ (1分)
设参赛者在A点抓住挂钩的初动能为。由动能定理,参赛者在A到钢索最低点运动过程中满足:
⑦ (2分)
由此可得,参赛者在A点抓住挂钩的最小和最大初动能分别为:
(1分)
(1分)
即初动能范围为:⑧ (1分)
如图a所示,质量m=1kg的物体静止在光滑的水平面上,t=0时刻,物体受到一个变力F作用,t=1s时,撤去力F,某时刻物体滑上倾角为37º的粗糙斜面;已知物体从开始运动到斜面最高点的v-t图像如图b所示,不计其他阻力,求:
(1)变力F做的功
(2)物体从斜面底端滑到最高点过程中克服摩擦力做功的平均功率
(3)物体回到出发点的动能
正确答案
(1) (2)
(3)
试题分析:(1)根据动能定理得:
解得:
(2)由v-t图像可知,物体在斜面上位移为:
根据动能定理得:
解得:
物体从斜面底端滑到最高点过程中克服摩擦力做功的平均功率为:
(3)根据动能定理得:
解得:
(9分)如图所示,在光滑的水平面上,质量为4m、长为L的木板右端紧靠竖直墙壁,与墙壁不粘连。质量为m的小滑块(可视为质点)以水平速度v0滑上木板左端,滑到木板右端时速度恰好为零。现小滑块以水平速度:滑上木板左端,滑到木板右端时与竖直墙壁发生弹性碰撞,以原速率弹回,刚好能够滑到木板左端而不从木板上落下,求的值。
正确答案
。
试题分析:小滑块以水平速度v0右滑时,有:(2分)
小滑块以速度v滑上木板到运动至碰墙时速度为v1,则有(2分)
滑块与墙碰后至向左运动到木板左端,此时滑块、木板的共同速度为v2,
则有(2分)
由总能量守恒可得:(2分)
上述四式联立,解得(1分)
如图所示,板长为L的平行板电容器倾斜固定放置,极板与水平线夹角θ=30°,某时刻一质量为m、带电荷量为q的小球由正中央A点静止释放,小球离开电场时速度是水平的(提示:离开的位置不一定是极板边缘),落到距离A点高度为h的水平面处的B点,B点放置一绝缘弹性平板M,当平板与水平夹角α=45°时,小球恰好沿原路返回A点.求:
(1)电容器极板间的电场强度E;
(2)平行板电容器的板长L;
(3)小球在A、B间运动的周期T.
正确答案
(1) (2)3h (3)2
(1)带电粒子沿水平方向做匀加速运动,可知:
qEcos θ=mg ①
故E=.
(2)小球垂直落到弹性挡板上,且α=45°
则有v0=vy= ②
由动能定理得:qE·Ltan θ=
mv
③
由②③得:L=3h.
(3)由小球在电场中做匀加速运动
=
gtan θ·t
t1==
平抛运动的时间为t2=
总时间为:
t=2t1+2t2=2.
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