- 机械能守恒定律
- 共29368题
如图所示,一质量为的物体(可以看做质点),静止地放在动摩擦因数为
的水平地面上,物体的初始位置在A处,离A处2R的B处固定放置一竖直光滑半圆形轨道,轨道的半径为R,最低点与地面相切;空中有一固定长为
木板DE,E与轨道最高点C的正下方水平距离为
,竖直距离为
,现给物体施加一水平方向、大小为F的恒力,运动一段距离R后撤去恒力F,假设物体能够达到B点,重力加速度为g,求:
(1)物体到达B点的速度大小?
(2)物体如能通过最高点C,则经过C点的最小速度大小为多少?
(3)物体要经过C点打到木板DE上,讨论F的取值范围?
正确答案
解:(1)物体从A运动到B过程:
①
②
③
由①②③得
(1)当物体恰好经过C点时,有 ④
解得:
∴物体经过C点的最小速度大小为
(3)物体恰好经过C点时,从C飞出做平抛运动,有
⑤
⑥
由④⑤⑥得且小于
,物体能落在木板DE上
物体从A到C过程有:
即: ⑦
由④~⑦得:
当物体经过C点做平抛运动到达D点时
⑧
⑨
物体从A到C过程,有 ⑩
由⑧~⑩得:
∴要使物体经过C点打到DE上,则F的取值范围为:
当前,高楼遇险逃生措施及训练引起高度关注。有人设想在消防云梯上再伸出轻便的滑竿解救受困人员,解决云梯高度不够高的问题。如图所示,在一次消防演习中模拟解救被困人员,为了安全,被困人员使用安全带上挂钩挂在滑竿上从高楼A点沿滑杆下滑逃生。滑杆由AO、OB两段直杆通过光滑转轴在O处连接,将被困人员和挂钩理想化为质点,且通过O点的瞬间没有机械能的损失。AO长为=5m,OB长为
=10m。竖直墙与云梯上端点B的间距
=11m。滑杆A端用挂钩钩在高楼的固定物上,可自由转动。B端用铰链固定在云梯上端。挂钩与两段滑杆间动摩擦因数均为μ=0.8。(g=10m/s2)
(1)若测得OB与竖直方向夹角为53°,求被困人员在滑杆AO上下滑时加速度的大小及方向?(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
(2)为了安全,被困人员到达云梯顶端B点的速度大小不能超过6m/s,若A点高度可调,竖直墙与云梯上端点B的间距=11m不变,求滑杆两端点A、B间的最大竖直距离?
正确答案
解:(1)设杆OA、OB与水平方向夹角为α、β,由几何关系:
d=L1cosα+L2cosβ
得出AO杆与水平方向夹角α=53°
由牛顿第二定律得mgsinθ-μmgcosθ=ma
在AO段运动的加速度:a=gsin53°-μgcos53°=3.2 m/s2,方向沿AO杆向下
(2)设滑竿两端点AB的最大竖直距离为h,对下滑全过程由动能定理得
mgh-μmgL1cosα′-μmgL2cosβ′=-0
其中d=L1cosα′+L2cosβ′=11,v≤6m/s
所以:≤10.6m
又因为若两杆伸直,AB间的竖直高度为
所以AB间最大竖直距离应为hm=10.2m
如图所示,在的竖直匀强电场中,有一光滑的半圆形绝缘轨QPN与一水平绝缘轨道MN连接,半圆形轨道平面与电场线平行,P为QN圆弧的中点,其半径R=40cm,一带正电q=10-4C的小滑块质量m=10g,与水平轨道间的动摩擦因数
,位于N点右侧1.5m处,取g=10m/s2,求:
(1)要使小滑块恰能运动到圆轨道的最高点Q,则滑块应以多大的初速度v0向左运动?
(2)这样运动的滑块通过P点时对轨道的压力是多大?
正确答案
解:(1)设小球到达Q点时速度为,则
滑块从开始运动到达Q点过程中,由动能定理得
联立两式并代入数据解得:
(2)设滑块到达P点时速度为,则从开始运动到P点过程:
又在P点时:
代入数据,解得:
湖南省电视台“智勇大冲关”游乐节目中,选手需要借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上,小明和小阳观看后对此进行了讨论。如图所示,他们将选手简化为质量m=60kg的质点,选手抓住绳子末端由静止开始摆动,此时绳与竖直方向夹角=53°,绳长l=2m的悬挂点O距水面的高度为H=3m。不考虑空气阻力和绳的质量,浮台露出水面的高度不计,水足够深。(取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6)。求:
(1)选手摆到最低点时对绳拉力的大小F;
(2)选手摆到右边最高点时松手,选手将做什么运动?设水对选手的平均浮力,平均阻力
,求选手落入水中的深度;
(3)若要求选手摆到最低点时松手,且运动到浮台处离岸水平距离最大,则选手应将手握住绳子上离O点多长处?
正确答案
解:(1)机械能守恒 ①
圆周运动:F′-mg=m ②
解得:F′=(3-2cos)mg=1080N ③
则:人对绳的拉力F=F′=1080N
(2)选手从最高点开始自由落体运动
动能定理 ④
则 ⑤
(3)选手从最低点开始做平抛运动:x=vt ⑥
H-l=gt2 ⑦
由①⑥⑦解得x=
解得:当l=H=1.5m时,x有最大值
一绝缘“”杆由两段相互平行的足够长的水平直杆PQ、MN和一半径为R的光滑半圆环MAP组成,固定在竖直平面内。其中MN光滑,PQ杆是粗糙的,现将质量为M的带正电荷的小环套在MN杆上,小环所受的电场力为重力的1/2。
(1)若将小环由D点静止释放,刚刚好能停在P点,求DM间的距离。
(2)若将小环由M点右侧5R处静止释放,设小环与PQ杆间的动摩擦因数为μ,小环的最大静摩擦力和滑动摩擦力相等,求小环整个运动过程中克服摩擦力所做的功。
正确答案
解:(1)据动能定理qEx-2mgR=0-0
qE=mg
联立解得x=4R
(2)若μmg≥qE(即μ≥)
设小环到达P点右侧s1处静止
据动能定理qE(5R-s1)-mg·2R-fs1=0-0
f=μN=μmg
联立解得s1=
克服摩擦力做功W1=μmgs1=
若μmg<qE(即μ<)
小环经过往复运动,最后在P点速度为0
据动能定理qE·5R-mg·2R-W2=0-0
克服摩擦力做功W2=mgR
用长为L的细线拉一质量为m的小球,小球带电量为+q,细线一端悬于固定点O,整个装置放在水平向右一足够大的匀强电场中,小球静止时细线与竖直方向的夹角为θ,电场范围足够大,不计空气阻力,重力加速度为g,求:
(1)匀强电场的电场强度大小;
(2)将小球拉至O点正下方最低点由静止释放,小球向上摆动过程中的最大速度大小;
(3)在(2)问中,小球运动到最高点时细线对小球的拉力大小;
(4)若将小球拉至O点正下方最低点时给它一水平向右的初速度,小球在竖直面内做完整的圆周运动,这个初速度至少是多大?
正确答案
解:(1)小球静止A点时,受力如图所示
据三力平衡条件,得
tanθ= ①
E=mgtanθ/q ②
(2)小球运动到平衡位置时速度最大,由动能定理,得
qELsinθ-mgL(1-cosθ)=mv2 ③
将②式代入,得v= ④
(3)小球从最低点到最高点时,细线与竖直方向成α角,由动能定理,得
qELsinα-mgL(1-cosα)=0 ⑤
将①式代入③式,得tanθsinα=1-cosα ⑥
∴α=2θ ⑦
在最高点,重力与电场力合力的法线分力与拉力平衡,设线的拉力为F
F=mg
(4)设B点与A点对悬点O对称,即AB为圆轨迹的直径,当小球恰好能运动到B点时,就能在竖直面内恰好做完整的圆周运动在B点,重力与电场力的合力提供向心力
mg/cosθ= ⑧
设将小球拉至O点正下方最低点时给它一水平向右的初速度为v0,由动能定理,得
-2mgLcosθ-qELsinθ=mvB2-
mv02 ⑨
将①⑦式代入⑧式,得v0= ⑩
如图所示,虚线MN下方存在竖直向上的匀强电场,场强E=2×103V/m,电场区域上方有一竖直放置长为l=0.5m的轻质绝缘细杆,细杆的上下两端分别固定一个带电小球A、B,它们的质量均为m=0.01kg,A带正电,电量为q1=2.5×10-4C;B带负电,电荷量q2=5×10-5C,B到MN的距离h=0.05m。现将轻杆由静止释放(g取10m/s2),求:
(1)小球B刚进入匀强电场后的加速度大小。
(2)从开始运动到A刚要进入匀强电场过程的时间。
(3)小球B向下运动离M、N的最大距离。
正确答案
解:(1)小球B刚进入电场时,以A、B球及轻杆为一整体,做加速度为a的匀加速运动
由牛顿第二定律:
得:
(2)B球进入电场前,A、B球及轻杆整体做自由落体运动,时间t1
得:
B球进入电场瞬间速度:
从B球进入电场到A球刚要进入电场过程,A、B球整体做匀加速运动,时间t2
解方程得:
从开始运动到A刚要进入匀强电场过程中的时间
(3)设小球B向下运动离MN最大距离为S,A、B球整体从开始运动到到达最低点过程,由动能定理:
得:S=1.3m
如图所示,抗震救灾运输机在某场地卸放物资时,通过倾角=30°的固定的光滑斜轨道面进行。有一件质量为m=2.0kg的小包装盒,由静止开始从斜轨道的顶端A滑至底端B,然后又在水平地面上滑行一段距离停下,若A点距离水平地面的高度h=5.0m,重力加速度g取10m/s2,求:
(1)包装盒由A滑到B经历的时间;
(2)若地面的动摩擦因数为0.5,包装盒在水平地面上还能滑行多远?(不计斜面与地面接触处的能量损耗)
正确答案
解:(1)包装盒沿斜面下滑受到重力和斜面支持力,由牛顿第二定律,得
mgsin=ma
a=gsin=5.0m/s2
包装盒沿斜面由A到B的位移为SAB==10m
包装盒由A到B做匀加速运动的时间为t
SAB=at2,得t=
=2.0s
(2)由动能定理:-fs=0-mv2/2
其中f=mg
在B点速度v=at
代入已知,得s=10m
如图所示,装置ABCDE固定在水平地面上,AB段为倾角θ=53°的斜面,BC段为半径R=2m的圆弧轨道,两者相切于B点,A点离地面的高度为H=4m。一质量为m=1kg的小球从A点由静止释放后沿着斜面AB下滑,当进入圆弧轨道BC时,由于BC段是用特殊材料制成的,导致小球在BC段运动的速率保持不变。最后,小球从最低点C水平抛出,落地速率为v=7m/s。已知小球与斜面AB之间的动摩擦因数μ=0.5,重力加速度g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6,不计空气阻力,求:
(1)小球从B点运动到C点克服阻力所做的功;
(2)B点到水平地面的高度;
(3)小球运动到C点时的速度值。
正确答案
解:(1)设小球从B到C克服阻力做功为WBC,由动能定理
mgR(1-cosθ)-WBC=0
代入数据解得WBC=8J
(2)设小球在AB段克服阻力做功为WAB,B点到地面高度为h,则
WAB=μmgcosθ
而=
对于小球从A点到落地的整个过程,由动能定理
mgH-WAB-WBC=mv2
联立解得h=2m
(3)设小球在C点的速度为vC,对于小球从C点到落地的过程,由动能定理
mg=
mv2-
mvC2=h-R(1-cosθ)
联立解得vC=5m/s
如图所示,小物体放在高度为h=1.25m、长度为S=1.5m的粗糙水平固定桌面的左端A点,以初速度vA=4m/s向右滑行,离开桌子边缘B后,落在水平地面C点,C点与B点的水平距离x=1m,不计空气阻力。试求:(g取10m/s2)
(1)小物体与桌面之间的动摩擦因数;
(2)为使小物体离开桌子边缘B后水平射程加倍,即,某同学认为应使小物体的初速度vA'加倍,即vA'=2vA,你同意他的观点吗?试通过计算验证你的结论。
正确答案
解:(1)小物体离开桌子边缘B点后
经过时间落地
小物体离开桌子边缘B点时的速度为
根据动能定理,有
得
(2)不同意
要使水平射程加倍,必须使B点水平速度加倍,即:
根据动能定理,有
解得
所以说该同学认为应使小物体的初速度加倍的想法是错误的
如图所示,水平轨道AB与位于竖直面内半径为R=0.90 m的半圆形光滑轨道BCD相连,半圆形轨道的BD连线与AB垂直。质量为m=1.0 kg可看作质点的小滑块在恒定外力F作用下从水平轨道上的A点由静止开始向右运动,物体与水平地面间的动摩擦因数μ=0.5。到达水平轨道的末端B点时撤去外力,小滑块继续沿半圆形轨道运动,且恰好能通过轨道最高点D,滑块脱离半圆形轨道后又刚好落到A点。g取10 m/s2,求:
(1)滑块经过B点进入圆形轨道时对轨道的压力大小;
(2)滑块在AB段运动过程中恒定外力F的大小。
正确答案
解:(1)小滑块恰好通过最高点,则有:mg=m
设滑块到达B点时的速度为vB,滑块由B到D过程由动能定理有:-2mgR=mv2D-
mv2B
对B点:FN-mg=m
代入数据得:FN=60 N
由牛顿第三定律知滑块对轨道的压力为60 N,方向竖直向上
(2)滑块从D点离开轨道后做平抛运动,则:
2R=gt2,SAB=vDt
滑块从A运动到B有:v2B=2aSAB
由牛顿第二定律有:F-μmg=ma
代入数据得:F=17.5 N
质量为kg的汽车在以
W的额定功率下沿平直公路前进,某一时刻汽车的速度为
m/s,再经
s达到最大速度,设汽车受恒定阻力,其大小为
N。求:
(1)m/s时汽车的加速度a;
(2)汽车的最大速度;
(3)汽车在s内经过的路程s。
正确答案
解:(1)
(2)
(3)
天花板下悬挂着两个固定的光滑裸露导线圆环半径为r=0.5m,相距L=1m,然后连接电路,电源电动势E=3V,并且放入一个竖直向上的匀强磁场,B=0.4T。现在将一根质量m=60g,电阻R=1.5Ω的金属棒搁置其上。闭合开关后,金属棒会上滑一定距离最后静止在圆环某位置。问此金属棒上升高度H=?此过程安培力做功W=?(不计其它电阻,重力加速度g=10m/s2)
正确答案
解:
对棒:因为静止,则tanα=BIL/mg
而I=E/R
得tanα=BEL/mgR
所以金属棒上升的高度H=(R-Rcosα)=0.2m
根据动能定理W-mgH=0,得W=0.12J
两个人要将质量M=1000 kg的小车沿一小型铁轨推上长l=5 m、高h=1 m的斜坡顶端。已知车在任何情况下所受的摩擦阻力恒为车重的0.12倍,两人能发挥的最大推力各为800 N。在不允许使用别的工具的情况下,两人能否将车刚好推到坡顶?如果能,应如何办?(g=10 m/s2)
正确答案
解:车沿斜坡运动时所受阻力为:Fμ=Mgsinα+kMg=1000×10× N+0.12×1000×10 N=3200 N
而两人的推力合力最大为:F=800×2 N=1600 N<Fμ所以,如果两人直接沿斜坡推物体,不可能将物体推到坡顶。但因物体在水平面上所受阻力为Fμ′=kMg=0.12×1000×10 N=1200 N,故可先在水平面上推一段距离后再上斜坡。
设在水平面上先推s的距离,则据动能定理有:Fs+Fl-kMg(l+s)-Mgh=0
即(1600-1200)(5+s)-103×10×1=0
解得:s=20 m
小物块A的质量为m,物块与坡道间的动摩擦因数为μ,水平面光滑;坡道顶端距水平面高度为h,倾角为θ;物块从坡道进入水平滑道时,在底端O点处无机械能损失,重力加速度为g。将轻弹簧的一端连接在水平滑道M处并固定墙上,另一自由端恰位于坡道的底端O点,如图所示。物块A从坡顶由静止滑下,求:
(1)物块滑到O点时的速度大小;
(2)弹簧为最大压缩量d时的弹性势能;
(3)物块A被弹回到坡道上升的最大高度。
正确答案
解:(1)由动能定理得
解得
(2)在水平道上,由机械能守恒定律得
则
(3)设物块A能够上升的最大高度为h1,物块被弹回过程中,由动能定理得
解得
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