- 机械能守恒定律
- 共29368题
如图所示,宽为L=0.5m、足够长的平行金属导轨MN和M’N’固定在倾角为θ=37°的斜面上,在N和N’之间连有一个0.8Ω的电阻R.在导轨上AA’处放置一根与导轨垂直、质量为m=0.2kg、电阻r=0.2Ω的金属棒,导轨电阻均不计.在导轨所围的区域存在一个磁感应强度B=2.0T、方向垂直于斜面向上的匀强磁场,已知金属棒和导轨间的动摩擦因数为μ=0.25.现在金属棒中点施加一个垂直于金属棒且沿斜面向上的外力F,使金属棒从静止开始以加速度a=lm/s2沿斜面向上做匀加速直线运动,经3s恰好经过CC‘处.求:
(1)金属棒从AA‘运动到CC‘过程中通过R的电荷量;
(2)金属棒通过CC‘时所施加的外力F的大小;
(3)如果在此过程中外力F所做的功为17.1J,求在此过程中金属棒放出的焦耳热是多少?
正确答案
(1)金属棒从AA′开始做匀加速运动的过程中,其位移为:
x=at2=
×1××32m=4.5m
由:=
、
=
、q=
•△t
得电量:q==
C=4.5C.
(2)金属棒运动到CC′时:
v=at=3m/s
感应电动势:E=BLv,I==
根据牛顿第二定律得:
F-mgsinθ-μmgcosθ-BIL=ma
解得,F=4.8N
(3)在此过程中,对金属棒运用动能定理得:
W-mgsinθ•x-μmgcosθ•x-W安=mv2
解得:Q=W安=9J
根据焦耳定律得知,金属棒放出的焦耳热为:
Qr=Q=1.8J
答:(1)从AA‘运动到CC‘过程中通过R的电荷量是4.5C;
(2)金属棒通过CC′时所施加的外力F的大小是4.8N;
(3)金属棒放出的焦耳热为1.8J.
如图所示,水平台面AB距地面的高度h=0.80m.有一滑块从A点以v0=6.0m/s的初速度在台面上做匀变速直线运动,滑块与平台间的动摩擦因数μ=0.25.滑块运动到平台边缘的B点后水平飞出.已知AB=2.2m.不计空气阻力,g取10m/s2,结果保留2位有效数字.求:
(1)滑块从B点飞出时的速度大小
(2)滑块落地点到平台边缘的水平距离.
正确答案
(1)运用动能定理研究A→B得:
-μmgl=mvB2-
mv02
解得vB=5.0m/s.
(2)滑块运动到平台边缘的B点后水平飞出做平抛运动.
根据平抛运动规律得:
X=vBt
t=
代入数据得:X=2.0m
答:(1)滑块从B点飞出时的速度大小是5.0m/s;
(2)滑块落地点到平台边缘的水平距离是2.0m.
如图所示,有一电子在A点从静止开始经电压U0=1.8×103V加速后,进入两块间距为d=8cm,电压为U=900V的两平行金属板间,若电子从两板正中间射入,且恰好能穿出电场,若电子质量m=9.0×10-30kg,电量e=1.6×10-19C,电子所受重力忽略不计,求:
(1)电子通过B点时的速度大小;
(2)金属板的长度L.
正确答案
解
(1)设电子通过B点时的速度为v0,电子由A到B过程,由动能定理得:
U0e=m
,
解得,电子进入平行金属板时的速度
v0=
代入解得,v0=8.0×106m/s
(2)在水平极板间运动时加速度为:a=
平行于极板方向运动:L=v0t
垂直于极板方向运动:=
at2
联立以上各式代入数据得:L=0.16m
答:
(1)电子通过B点时的速度大小v0=8.0×106m/s;
(2)金属板的长度L=0.16m.
(10分)如图所示,在竖直平面内有一半径为R的半圆轨道与一斜面轨道平滑连接,A、B连线竖直.一质量为m的小球自P点由静止开始下滑,小球沿轨道运动到最高点B时对轨道的压力大小为mg.已知P点与轨道最高点B的高度差为2R,求小球从P点运动到B点的过程中克服摩擦力做了多少功?
正确答案
试题分析:分析运动过程知,只有重力和摩擦力做功,
且: (2分)
又小球运动到B点时对轨道的压力为mg,可得:
(3分)
整个运动过程运用动能定理:
(3分)
即,小球克服摩擦力做功为 (2分)
(18分)如图所示,一个质量为的长木板静止在光滑的水平面上,并与半径为
的
光滑圆弧形固定轨道接触(但不粘连),木板的右端到竖直墙的距离为
;另一质量为2
的小滑块从轨道的最高点由静止开始下滑,从圆弧的最低点A滑上木板。设长木板每次与竖直墙的碰撞时间极短且无机械能损失。已知滑块与长木板间的动摩擦因数为
。试求
(1)滑块到达A点时对轨道的压力的大小
(2)若滑块不会滑离长木板,试讨论长木板与墙第一次碰撞前的速度与
的关系
(3)若S足够大,为了使滑块不滑离长木板,板长应满足什么条件
正确答案
(1)6mg;(2)若,则木板与墙第一次碰前瞬间的速度为
;若
,则木板与墙第一次碰前瞬间的速度为
;(3)
。
试题分析:(1)滑块从轨道的最高点到最低点,由机械能守恒,
设到达A点的速度为;则
①
得: ②
由牛顿第二定律可知,在A点有: ③
由②③得: ④
由牛顿第三定律,滑块在A点对轨道的压力: ⑤
(2)若第一次碰撞前的瞬间,滑块与木板达到共同速度,
则: ⑥
⑦
由②⑥⑦得: ⑧
ⅰ.若,则木板与墙第一次碰前瞬间的速度为
⑨
ⅱ. 若,则木板与墙第一次碰前瞬间的速度为
,则:
⑩
得: 11
(3)因为S足够大,每次碰前滑块与木板共速;因为,每次碰后系统的总动量方向向右,要使滑块不滑离长木板,最终木板停在墙边,滑块停在木板上。(没有文字说明的扣1分)
由能量守恒得: 12,
解得 13
评分标准:①⑥⑦每式2分,123分,其余每式1分。
(10分)有一质量为0.2kg的物块,从长为4m,倾角为30°的光滑斜面顶端处由静止开始滑下,斜面底端和水平面的接触处为很短的圆弧形,如图所示,物块和水平面间的动摩擦因数为0.2(g取10m/s2),求:
(1)物块到达斜面底端时的速度;
(2)物块在水平面能滑行的距离。
正确答案
(1);(2)10m
试题分析:(1)斜面下滑中机械能守恒 3分
,
2分
(2)全过程利用动能定理:-µmgs+mgh=0 3分
s=mgh/µmg=10m 2分
如图1所示,在竖直向下,场强为E的匀强电场中,长为2l的绝缘轻杆可绕固定轴O在竖直平面内无摩擦转动,两个小球A、B固定于杆的两端,A、B的质量分别为m1和m2,A带负电,电量为q1,B也带负电,电量为q2.求:
(1)杆从静止开始由水平位置顺时针转到竖直位置,在此过程中电场力所做的功为多少?
(2)杆从静止开始由水平位置顺时针转到竖直位置时,两球的总动能为多少?
(3)若将轻杆弯折成如图2所示的“Γ”形,两边互相垂直、长度均为l,在竖直向下的匀强电场中(场强E的大小未知),可绕过O点的水平轴在竖直平面内无摩擦转动.现将“Γ”形杆从OB位于水平位置由静止释放,OB杆能转过的最大角度为127°,则该电场强度的大小为多少?
正确答案
(1)电场力做功大小W=Eq1l-Eq2l
(2)对系统研究,根据动能定理得:( q1-q2)El+(m2-m1)g l=Ek-0
解得:Ek=( q1-q2)El+(m2-m1)g l
(3)OB杆可能顺时针转动,也可能逆时针转动.当OB杆转过最大角度时,动能为零.
(ⅰ)设OB杆顺时针转动,根据动能定理,
(m2g-q2 E)l cosα-( q1E-m1g)l(1+sinα)=0
解得:E=g<
讨论:由于使OB杆顺时针转动,
必须满足m2g>q2E,
所以:E=g<
即:-
<0
<0
当q2>2q1,>
时,顺时针转动,当 q2<2q1,
<
时,顺时针转动.
(ⅱ)设OB杆逆时针转动,根据动能定理,
(q2E-m2 g)lcosα+(q1E-m1g)l(1+sinα)=0
解得:E=g>
讨论:由于使OB杆逆时针转动,必须满足m2g<q2E,
所以:E=g>
即:-
g>0
>0
当 m1q2>m2q1时,即当 >
时杆逆时针转动.
答:(1)杆从静止开始由水平位置顺时针转到竖直位置,在此过程中电场力所做的功为Eq1l-Eq2l.
(2)两球的总动能为( q1-q2)El+(m2-m1)g l.
(3)当顺时针转动时,该电场强度的大小为g,逆时针转动时,电场强度的大小为
g.
如图所示,平行金属板长为L,一个带电为+q,质量为m的粒子以初速度v0紧贴上板垂直射入电场,刚好从下板边缘射出,末速度恰与下板成30°角,粒子重力不计.求:
(1)粒子未速度大小;
(2)电场强度;
(3)两极间距离d.
正确答案
(1)将末速度分解,
由几何关系知:=cos300
所以:v=;
(2)带电粒子做类平抛运动,依题知,粒子在电场中的运动时间:t=
粒子离开电场时,垂直板方向的分速度:v1=v0tan30°
竖直方向加速度:a=
粒子从射入电场到离开电场,有at=v1
即:t=v1;
联立以上各式得E=
(3)粒子从射入电场到离开电场,由动能定理,有qEd=mv2-
m
解得 d=
答:(1)粒子的末速度为;
(2)电场强度E为;
(3)板间距离为.
如图所示,固定的竖直光滑金属导轨间距为L,上端接有阻值为R的电阻,处在方向水平、垂直导轨平面向里的磁感应强度为B的匀强磁场中,质量为m的导体棒与下端固定的竖直轻质弹簧相连且始终保持与导轨接触良好,导轨与导体棒的电阻均可忽略,弹簧的劲度系数为k.初始时刻,弹簧恰好处于自然长度,使导体棒以初动能Ek沿导轨竖直向下运动,且导体棒在往复运动过程中,始终与导轨垂直.
(1)求初始时刻导体棒所受安培力的大小F;
(2)导体棒往复运动一段时间后,最终将静止.设静止时弹簧的弹性势能为Ep,则从初始时刻到最终导体棒静止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q为多少?
正确答案
(1)设导体棒的初速度为v0,由动能的定义式
Ek=m
得 v0=
设初始时刻产生的感应电动势为E,由法拉第电磁感应定律得:
E=BLv
设初始时刻回路中产生的电流为I,由闭合电路的欧姆定律得:
I=
设初始时刻导体棒受到的安培力为F,由安培力公式得:F=BIL
联立上式得,F=
(2)从初始时刻到最终导体棒静止的过程中,导体棒减少的机械能一部分转化为弹簧的弹性势能,另一部分通过克服安培力做功转化为电路中的电能,因在电路中只有电阻,电能最终全部转化为电阻上产生的焦耳热Q.
当导体棒静止时,棒受力平衡,此时导体棒的位置比初始时刻降低了h,
则 mg=kh,得h=
由能的转化和守恒定律得:mgh+Ek=EP+Q
解得 Q=+Ek-Ep
答:
(1)初始时刻导体棒所受安培力的大小F为;
(2)从初始时刻到最终导体棒静止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q为+Ek-Ep.
据华龙网报道,2010年6月21日重庆236路公交车经过沙坪坝区天马路斜坡时,刹车突然失灵,该路段坡度超过30度,直冲下去将会撞到更多的车辆和路人,后果不堪设想。情急之下,驾驶员欧师傅让车紧贴旁边隔离墙行驶,在摩擦100多米隔离墙后,撞到一个建筑堆后车终于停了。幸运的是,车上20多名乘客都没有受伤。
设事发时,公交车的总质量为1.2×104 kg,与隔离墙摩擦时的初速度为9 m/s,事发路段的倾角为30度,车辆在与隔离墙摩擦100 m后以1 m/s的末速度与建筑堆相撞。重力加速度为g =" 10" m/s2,求该公交车与隔离墙摩擦的过程中
(1)合外力对公交车做的功;
(2)公交车机械能的变化量。
正确答案
(1)(2)
试题分析:(1)(6分)公交车与隔离墙摩擦过程中,由动能定理,有
4分
得 2分
(2)(9分)
解法一
摩擦过程中,只有重力和摩擦力做功,即
4分
由功能关系有
4分
得 1分
解法二
摩擦过程中,重力势能的变化量为
4分
机械能的变化量为
4分
代入数据得 1分
点评:本题难度较小,抓住动能定理的内容,动能变化量必须是末动能减去初动能
在如图所示的xoy平面内存在着水平向右的匀强电场,有一带正电的小球P自坐标原点O竖直抛出,它的初动能为4J,不计空气阻力。当它上升到最高点M时,它的动能为5J。求:(1)试分析说明带电小球被抛出后沿竖直方向和水平方向分别做什么运动。(2)在图中画出带电小球P从抛出点O到落回与O在同一水平线上O′点的运动轨迹示意图。(3)带电小球落回到O′点时的动能。
正确答案
(1)、(2)见解析;(3)24J。
(1)在竖直方向,小球受重力作用,由于重力与小球的初速度方向相反,所以沿竖直方向小球做匀变速直线运动(竖直上抛运动)。…(3分)
沿水平方向,小球受水平向右的电场力作用,做初速度为零的匀加速直线运动。……(3分)
(2)运动轨迹示意图如图所示。
说明:画出OM段给3分,画出MO′段给3分。如果OM或MO′画成直线的不给分;如果画成OP=PO′扣3分。
(3)设小球质量为m、带电量为q,初速度为v0,上升的最大高度为h,OM(OP)两点间电势差为U1,MO′(PO′)两点间电势差为U2,小球在O′点的动能为Ek ′。
对于小球从O到M的过程,根据动能定理有:qU1-mgh=EkM-Ek0
由竖直方向的分运动可得出:h=, mgh=
mv02
对于小球从M到O′的过程,根据动能定理有:qU2+mgh= Ek ′- EkM
根据竖直上抛运动的时间特点和小球沿水平方向的分运动特点可知:
OP:P O′=1:3
由匀强电场的电势差与场强的关系有U1:U2=1:3
由以上方程可解得:Ek ′=24J
如图所示,由细管道组成的竖直轨道,其圆形部分半径分别是R和R/2,质量为m的小球通过这段轨道时,在A处刚好对管壁无压力,在B点处对内轨道的压力为mg/2.
求:(1)小球分别通过A、B点的速度
(2)由A运动到B的过程中摩擦力对小球做的功.
正确答案
(1)(2)
(1)在A处,
………………2分
在B处,
得 …………………………2分
由A到B,据动能定理
……………………………3分
如图,图象所反映的物理情景是:物体以大小不变的初速度v0沿木板滑动,若木板倾角θ不同,物体沿木板上滑的距离S也不同,便可得出图示的S-θ图象.问:
(1)物体初速度v0的大小.
(2)木板是否粗糙?若粗糙,则动摩擦因数μ为多少?
(3)物体运动中有否最大加速度以及它发生在什么地方?
正确答案
(1)当θ=90º时,物体做竖直上抛运动,
=
=10
="17.3m/s " (得4分)
(2)当θ=0º时,根据动能定理得,2
(得4分)
(3)加速度
得到,当θ=53º时,α有极大值
由动能定理得,,所以
所以P点坐标() (得6分)
略
(2011年福建六校联考)人骑自行车由静到动,除了要增加人和车的动能以外,还要克服空气及其他阻力做功.为了测量人骑自行车的功率,第一小组进行了如下实验:在离出发线5 m、10 m、20 m、30 m、…70 m的地方分别划上8条计时线,每条计时线附近站几个学生,手持秒表测运动时间.听到发令员的信号后,受测者全力骑车由出发线启动,同时全体学生都开始计时.自行车每到达一条计时线,站在该计时线上的几个学生就停止计时,记下自行车从出发线到该条计时线的时间.实验数据记录如下(每个计时点的时间都取这几个同学计时的平均值),并计算出各段的平均速度:
第二小组通过测出自行车在各点的速度,作出了v—s图4-2-9.本次实验中,学生和自行车总质量约为75 kg,设运动过程中,学生和自行车所受阻力与其速度大小成正比,整个过程中该学生骑车的功率P保持不变.
图4-2-9
(1)第一小组的学生通过分析认为:因为自行车在每一路段内的速度变化不是很大,因此可以用每一段的平均速度代替该段的速度,则在20 m~30 m路段的平均阻力f1与30 m~40 m路段的平均阻力f2之比f1∶f2为多少?被测学生骑车的功率约为多少?速度为6 m/s时的加速度为多大?
(2)第二小组的学生结合图和曲线(曲线与横坐标在s=40 m内所围的区域共56格),测出的被测学生骑车的功率约为多少?
正确答案
(1)0.8 553 W 0.79 m/s2 (2)600 W
(1)设f=kv
所以f1∶f2=v1∶v2=6.67∶8.33=0.8
从表中数据可以看出,t=9 s时,自行车达到了匀速运动,动力等于阻力,所以有:P=fv9
在开始运动9 s内,根据动能定理有:
mv
=Pt-f1s1-f2s2-f3s3-f4s4-f5s5
代入数据,解得:k=5.53 N·s/m,P=553 W
当v′=6 m/s时,根据牛顿第二定律:-kv′=ma
代入数据,解得:a=0.79 m/s2.
(2)在开始运动的9 s内,根据动能定理有:mv
=Pt-fs
因f=kv,所以fs=kvs
联立以上各式,解得:k=6 N·s/m,P=600 W.
答案:(1)0.8 553 W 0.79 m/s2 (2)600 W
如图,摆线长L,摆球质量m,将摆球拉至与悬点O等高处由静止释放,在O点的正下方有一口钉子P,OP=,求:
(1)摆球摆至最低点时的速度?
(2)悬线与钉子接触前瞬间悬线的拉力?
(3)摆球绕着钉子在竖直平面内摆到最高点时的速度多大?
正确答案
(1)由 有
(2)由
有
(3)由 有
V'即为所求
本题考查动能定理和圆周运动,重力做功与路径无关,只与初末位置的高度差有关,在最低点合力提供向心力,可求得绳子拉力
扫码查看完整答案与解析