- 机械能守恒定律
- 共29368题
如图所示,可视为质点的三物块A、B、C放在倾角为30°、长L=2m的固定斜面上,物块与斜面间的动摩擦因数μ=,A与B紧靠在一起,C紧靠在固定挡板上,三物块的质量分别为mA=0.80kg、mB=0.64kg、mC=0.50kg,其中A不带电,B、C的带电量分别为qB=+4.00×l0-5C.qC=+2.00×l0-5C.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EF=k
,现给A施加一平行于斜面向上的力F,使A在斜面上作加速度a=1.5m/s2的匀加速直线运动,经过时间t0,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×l09N•m2/C2,g=10m/s2.求:
(1)未施加力F时物块B、C间的距离:
(2)t0时间内A上滑的距离;
(3)t0时间内库仑力做的功;
(4)力F对A物块做的总功.
正确答案
(1)未施加力F时,A、B、C处于静止状态时,设B、C间距离为L1,则 C对B的库仑斥力
F0=
以A、B为研究对象,根据力的平衡 F0=(mA+mB)gsin30°
联立解得 L1=1.0m
(2)给A施加力F后,A、B沿斜面向上做匀加速直线运动,C对B的库仑斥力逐渐减小,A、B之间的弹力也逐渐减小.经过时间t0,B、C间距离设为L2,A、B两者间弹力减小到零,此后两者分离,力F变为恒力.则t0时刻C对B的库仑斥力为
F1=k…①
以B为研究对象,由牛顿第二定律有
F1-mBgsin30°-μmBgcos30°=mBa…②
联立①②解得 L2=1.2m
则t0时间内A上滑的距离△L=L2-L1=0.2m
(3)设t0时间内库仑力做的功为W0,由功能关系有
W0=k-k
代入数据解得 W0=1.2J…③
(4)设在t0时间内,末速度为v1,力F对A物块做的功为W1,由动能定理有
W1+W0+WG+Wf=(mA+mB)
…④
而 WG=-(mA+mB)g•△Lsin30°…⑤
Wf=-μ(mA+mB)g•△Lcos30°…⑥
又A做匀加速运动,则有=2a△L…⑦
由③~⑦式解得
E1=1.05J
经过时间t0后,A、B分离,力F变为恒力,对A由牛顿第二定律有
F-mAgsin30°-μmAgcos30°=mAa…⑧
力F对A物块做的功 W2=F(L-L2)…⑨
由⑧⑨式代入数据得 W2=5J
则力F对A物块做的功 W=W1+W2=6.05J
答:
(1)未施加力F时物块B、C间的距离为1m:
(2)t0时间内A上滑的距离是0.2m;
(3)t0时间内库仑力做的功是1.2J;
(4)力F对A物块做的总功为6.05J.
(12分)如图所示,足够长的光滑斜面的倾角为37°,质量分别为mA和mB的A、B两小物体用跨过斜面顶端光滑小滑轮的细绳相连,且mA=3mB。开始时A物体离地高为h=0.5m,物体B恰在斜面底端,从图示位置由静止开始释放A物体,取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。求:
⑴A物体刚要着地时的B的速度大小;
⑵B物体在斜面上上升的最远距离。
正确答案
⑴m/s;⑵1m
试题分析:⑴开始时,A、B两小物体一起运动,具有相同的运动速度,设A物体刚要着地时它们的速度大小为v,根据动能定理有:mAgh-mBghsin37°=-0 ①
又由题意可知:mA=3mB ②
由①②式联立,并代入数据解得:v=m/s ③
⑵设当A着地后,B又沿斜面上升了距离d,根据动能定理有:-mBgdsin37°=0- ④
根据几何关系可知,B物体在斜面上上升的最远距离为:s=h+d ⑤
由③④⑤式联立,并代入数据解得:s=1m
起跳摸高是学生常进行的一项活动,某同学身高1.72m,体重60kg,站立时举手达到2.14m,他弯曲两腿,再用力蹬地,经0.4s竖直跳起,设他蹬地的力大小恒为1050N,不计空气阻力,取g=10m/s2,求
(1)蹬地刚离开地面时的速度大小υ;
(2)起跳摸高的最大高度(手指所能达到的最高处)h.
正确答案
(1)根据牛顿第二定律得:a==
m/s2=9m/s2.
则v=at=9×0.4m/s=3.6m/s.
(2)根据v2=2gh得,
h==
m=0.648m.
则H=h+2.14m=2.788m.
答:
(1)该同学刚跳离地面时的速度为3.6m/s.
(2)该同学跳起可摸到的高度为2.788m.
如图所示,两块平行金属板A、B带有等量异种电荷,竖直固定在光滑绝缘的小车上,小车的总质量为M,整个装置静止在光滑的水平面上.质量为m、带电量为q的小球以初速度v0沿垂直金属板的方向从B板底部小孔射入,且恰好不与A板相碰,求A、B金属板间的电势差?
正确答案
由于水平面光滑,所以小车与小球系统水平方向动量守恒,则有
mv0=(m+M)v
设两板间电势差为U,两板间距为d,
对车,据动能定理得:qS=
Mv 2
对小球,据动能定理得:q(S+d)=
mv0 2-
m v 2
由上式联立解得:U=
答:A、B金属板间的电势差是
如图所示,竖直放置的半圆形绝缘轨道半径为R,下端与光滑绝缘水平面平滑连接,整个装置处于方向竖直向上的匀强电场E中.一质量为m、带电荷量为+q的物块(可视为质点),从水平面上的A点以初速度v0水平向左运动,沿半圆形轨道恰好通过最高点C,场强大小为E(E小于).
(1)试计算物块在运动过程中克服摩擦力做的功.
(2)证明物块离开轨道落回水平面过程的水平距离与场强大小E无关,且为一常量.
正确答案
图中滑块和小球的质量均为m,滑块可在水平放置的光滑固定导轨上自由滑动,小球与滑块上的悬点O由一不可伸长的轻绳相连,轻绳长为l.开始时,轻绳处于水平拉直状态,小球和滑块均静止.现将小球由静止释放,当小球到达最低点时,滑块刚好被一表面涂有粘性物质的固定挡板粘住,在极短的时间内速度减为零,小球继续向左摆动,当轻绳与竖直方向的夹角θ=60°时小球达到最高点.求
(1)从滑块与挡板接触到速度刚好变为零的过程中,挡板阻力对滑块的冲量;
(2)小球从释放到第一次到达最低点的过程中,绳的拉力对小球做功的大小.
正确答案
(1)对系统,设小球在最低点时速度大小为v1,此时滑块的速度大小为v2,滑块与挡板接触前
由系统的机械能守恒定律:mgl=mv12+
mv22 ①
由系统的水平方向动量守恒定律:mv1=mv2 ②
对滑块与挡板接触到速度刚好变为零的过程中,挡板阻力对滑块的冲量为:
I=mv2 ③
联立①②③解得I=m 方向向左④
(2)小球释放到第一次到达最低点的过程中,设绳的拉力对小球做功的大小为W,对小球由动能定理:
mgl+W=mv12 ⑤
联立①②⑤解得:W=-mgl,即绳的拉力对小球做负功,大小为
mgl.
答:
(1)从滑块与挡板接触到速度刚好变为零的过程中,挡板阻力对滑块的冲量为I=m,方向向左;
(2)小球从释放到第一次到达最低点的过程中,绳的拉力对小球做功的大小是-mgl.
在图(l)中 A和B是真空中的两块面积很大的平行金属板,A、B间的电压 UAB随时间变化的规律如图(2)所示,在图(1)中O点到A和B的距离皆为l,在O处不断地产生电荷量为q、质量为m的带负电的微粒,在交变电压变化的每个周期T内,均匀产生300个上述微粒,不计重力,不考虑微粒之间的相互作用,这种微粒产生后,从静止出发在电场力的作用下运动,设微粒一旦碰到金属板,它就附在板上不再运动.且其电量同时消失,不影响A、B板的电势.已知上述的T=1.2×10-2s.U0=1.2×103 V,微粒电荷量q=10-7C,质量m=5×10-10kg,l=0.6m.
试求:
(l)在t=0时刻出发的微粒,会在什么时刻到达哪个极板?
(2)在t=0到t=T/2这段时间内哪个时刻产生的微粒刚好不能到达A板?
(3)在t=0到t=T/2这段时间内产生的微粒中有多少个微粒可到达A板?
正确答案
(1)设在t=0时刻产生的微粒在t1时刻到达A板,且t1<.
在此过程中微粒加速度a1==
m/s2=2×105m/s2.①
由l=a1t12得,t1=
=2.45×10-3s ②
t1<,所以假设成立,该微粒在t1=2.45×10-3s的时刻到达A板.
(2)设在t=0到t=这段时间内的t2时刻产生的微粒刚好不能到达A板,设此微粒在
-T时间内的t3时刻到达A板时的速度刚好为零.
-t3时间内的加速度a2=
=
=4×105m/s2.③
微粒在时刻的速度v1=a1(
-t2)=a2(t3-
). ④
微粒在t2-t3时间内的位移l=a1(
-t2)2+
a2(t3-
)2 ⑤
由④⑤式得t2=4×10-3s. ⑥
t3=7×10-3s<T,所以假设成立,t2=4×10-3s时刻产生的微粒刚好不能到达A板.
(3)t2时刻产生的微粒在t3时刻到达A板时的速度为零,并立即返回,设t3-T时间内一直向B板运动,则其位移s1为:
s1=a2(T-t3)2=
×4×105×(1.2×10-2-7×10-3)2=5.0m>2l ⑦
即该微粒一定会被B板吸收,在t=0时刻到t=这段时间内的t2时刻及其以后产生的微粒都不能到达A板.
所以在t=0到t=这段时间内能到达A板微粒的个数为:
n=N=
×300=100.
答:(1)该微粒在t1=2.45×10-3s的时刻到达A板.
(2)在t=0到t=这段时间内t2=4×10-3s时刻产生的微粒刚好不能到达A板.
(3)在t=0到t=这段时间内能到达A板微粒的个数为100个.
人移动时对绳的拉力不是恒力,重物不是做匀速运动也不是做匀变速运动,故无法用W=Fscosθ求对重物做的功,需从动能定理的角度来分析求解.
当绳下端由A点移到B点时,重物上升的高度为:h= -H=
重力做功的数值为:WG=
当绳在B点实际水平速度为v时,v可以分解为沿绳斜向下的分速度v1和绕定滑轮逆时针转动的分速度v2,其中沿绳斜向下的分速度v1和重物上升速度的大小是一致的,
从图中可看出:v1=vcosθ
以重物为研究对象,根据动能定理得:W人-WG= m
-0
解得:W人= +
答:在这个过程中,人对重物做的功为 +
.
正确答案
人移动时对绳的拉力不是恒力,重物不是做匀速运动也不是做匀变速运动,故无法用W=Fscosθ求对重物做的功,需从动能定理的角度来分析求解.
当绳下端由A点移到B点时,重物上升的高度为:h=-H=
重力做功的数值为:WG=
当绳在B点实际水平速度为v时,v可以分解为沿绳斜向下的分速度v1和绕定滑轮逆时针转动的分速度v2,其中沿绳斜向下的分速度v1和重物上升速度的大小是一致的,
从图中可看出:v1=vcosθ
以重物为研究对象,根据动能定理得:W人-WG=m
-0
解得:W人=+
答:在这个过程中,人对重物做的功为+
.
(9分) 杭州市民吴菊萍徒手勇救小妞妞,被誉为“最美妈妈”。 设妞妞的质量m =10kg,从离地h1 ="21.5" m高的阳台掉下,在妞妞开始掉下时,吴菊萍立刻奔跑到达妞妞的正下方,站立着张开双臂在距地面高度为h2 =1.5m处接到妞妞,缓冲到地面时速度恰好为零。空气阻力不计,取g =10m/s2。求:
(1)妞妞在被接到前下落的时间t1 ;
(2)在缓冲过程中吴菊萍对妞妞做的功W和吴菊萍对妞妞的平均作用力F的大小。
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)妞妞自由下落过程,由运动学公式得:
求得: (3分)
(2)从阳台掉下到地面,对妞妞由动能定理得
求得: (4分)
设吴菊萍对妞妞的平均作用力大小为F
由
求得: (2分)
从高H处由静止释放一球,它在运动过程中受大小不变的阻力f。若小球质量为m,碰地过程中无能量损失,则小球第一次碰地后反弹的高度是多少?小球从释放直至停止弹跳的总路程为多少?
正确答案
试题分析:从释放到第一次到最高点,根据动能定理可得
(3分)
可得 (2分)
从释放到最后静止,根据动能定理可得
(3分)
可得 (2分)
点评:本题难度较小,应用动能定理时可选择一段研究过程,也可以选择整体为研究过程
如下图甲所示,一半径R=0.1m、竖直圆弧形光滑轨道,与斜面相切于B处,圆弧的最高点为M,斜面倾角θ=60°,t=0时刻,有一物块沿斜面上滑,其在斜面上运动的速度变化规律如图乙所示,物块质量m=lkg,若物块恰能到M点(取g=10m/s2)求:
(1)物块经过B点时的速度VB;
(2)物块在斜面上滑动的过程中摩擦力做功的平均功率。
正确答案
由题可知,圆弧圆心角应为120°(1分)
滑块从B到M上升的高度为R+Rcos60°(1分)
滑块恰好能过最高点, (2分)
滑块从B到M的过程中,机械能守恒
(2分)
代入有关数据可得 (1分)
(2)由图可知,滑块在斜面上滑动时,加速度大小为10m/s2(2分)
摩擦力
(2分)
平均速度为=5m/s(1分)
所以摩擦力的平均功率w(2分)
略
如图所示,甲图是用来使带正电的离子加速和偏转的装置.乙图为该装置中加速与偏转电场的等效模拟.以y轴为界,左侧为沿x轴正向的匀强电场,场强为E.右侧为沿y轴负方向的匀强电场.已知OA⊥AB,OA=AB,且OB间的电势差为U0.若在x轴的C点无初速地释放一个电荷量为q、质量为m的正离子(不计重力),结果正离子刚好通过B点,求:
(1)CO间的距离d;
(2)粒子通过B点的速度大小.
正确答案
(1)设正离子到达O点的速度为v0(其方向沿x轴的正方向)
则正离子从C点到O点,由动能定理得:qEd=mv2-0
而正离子从O点到B点做类平抛运动,令=
=L,
则:L=t2
从而解得t=L
所以到达B点时:v0==
=
从而解得:d=
故CO间的距离d为.
(2)设正离子到B点时速度的大小为vB,正离子从C到B过程中由动能定理得:
qEd+qU0=mvB2-0
解得vB=.
故粒子通过B点的速度大小为.
在一次消防逃生演练中,队员从倾斜直滑道AB的顶端A由静止滑下,经B点后水平滑出,最后落在水平地面的保护垫上(不计保护垫厚度的影响)。已知A、B离水平地面的高度分别为H=6.2m、h=3.2m,A、B两点间的水平距离为L=4.0m,队员与滑道间的动摩擦因数μ=0.3,g取10m/s2。求:
(1)队员到达B点的速度大小;
(2)队员落地点到B点的水平距离;
正确答案
(1)6m/s(2)4.8m
(1)设滑道的长度为LAB,倾角为θ,根据动能定理 有
(2)根据平抛运动的公式 有
,
得水平距离
本题考查动能定理的应用和平抛运动的应用,根据物体在运动过程中受到重力和摩擦力,利用动能定理列式求解,到达最低点后水平抛出,根据平抛运动的两个分运动列式求解
在一次运动会中,要求运动员从高为H的平台上A点由静止出发,沿着动摩擦因数为的滑道向下运动到B点后水平滑出,最后落在水池中。设滑道的水平距离为L,B点的高度h可由运动员自由调节(取g=10m/s2)。求:
(1)运动员到达B点的速度与高度h的关系;
(2)运动员要达到最大水平运动距离,B点的高度h应调为多大?对应的最大水平距离Smax为多少?
(3)若图中H=4m,L=5m,动摩擦因数=0.2,则水平运动距离要达到7m,h值应为多少?
正确答案
(1)(2)
(3)0.38m
(1)由A运动到B过程:
(2)平抛运动过程:
解得
当时,x有最大值,
(3)
解得
在水平的冰面上放置两个相距为L的木箱A和B,木箱的质量均为m,用水平恒力F推动木箱A向B运动,经过一段时间后撤去F,木箱A继续向着木箱B运动,并与木箱B碰撞后结合在一起继续运动。已知两个木箱一起向前滑动的最大距离为s,两个木箱与冰面之间的动摩擦因数均为,重力加速度为g。求恒力F作用的时间。
正确答案
设两个木箱结合在一起时的速度为v,两个木箱一起滑行的过程中,根据动能定理,有
2, (3分)
设两个木箱碰撞前木箱A的速度为v1,根据动量守恒定律,有:
mv1 = 2mv, (3分)
在木箱A与B碰撞之前,设在恒力F作用下木箱A移动的距离为s1,由动能定理,有:
Fs1 –, (4分)
木箱的恒力F作用下做匀加速运动,设运动的加速度为a,恒力作用时间为t,根据牛顿第二定律和运动学公式,
F –, (4分)
s1 =。 (3分)
联立以上各式,解得: t =。 (3分)
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