- 机械能守恒定律
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如图所示,光滑雪坡与水平路面相切于B点,某人乘雪橇从雪坡上A点无初速滑至B点,接着沿水平路面滑至C点停止,设人与雪橇在BC段所受阻力恒定.人与雪橇的总质量为60kg,A、B两处竖直高度差为20m,B、C 距离为30m.(g=10m/s2)求:
(1)人与雪橇滑到B处的速度大小;
(2)人与雪橇在BC段所受阻力大小.
正确答案
(1)从A到B的过程中,由机械能守恒定律得:mgh=m
vB= 代入数据得vB=20m/s
(2)从B到C的过程中,由动能定理得:-Ff•xBC=0-m
人与雪橇在BC段所受阻力Ff=
代入数据得Ff=400N
答:(1)人与雪橇滑到B处的速度大小为20m/s.
(2)人与雪橇在BC段所受阻力大小为400N.
如图所示的“S”字形玩具轨道,该轨道是用内壁光滑的薄壁细圆管弯成,固定在竖直平面内,轨道弯曲部分是由两个半径相等半圆连接而成,圆半径比细管内径大得多,轨道底端与水平地面相切,弹射装置将一个小球(可视为质点)从点水平弹射向
点并进入轨道,经过轨道后从
点水平抛出,已知小物体与地面
段间的动摩擦因数
,不计其它机械能损失,
段长
=1.25m,圆的半径
=0.1m,小物体质量
=0.01kg,轨道总质量为
=0.15kg,
,求:
(1)若,小物体从
点抛出后的水平射程;
(2)若,小物体经过轨道的最高点时,管道对小物体作用力的大小和方向.
(3) 设小球进入轨道之前,轨道对地面的压力大小等于轨道自身的重力,当至少为多少时,轨道对地面的压力为零.
正确答案
解:(1)设小物体运动到点的速度大小为
,
对小物体由点运动到
点过程应用动能定理得
小物体自点做平抛运动,设运动时间为
,水平射程为
,
则:
联立代入数据解得
(2)设在轨道最高点时管道对小物体的作用力大小为,取竖直向下为正方向,
据牛顿第二定律得
联立代入数据解得
,方向竖直向下
(3)分析可知,要使小球以最小速度运动,且轨道对地面的压力为零,则小球的位置应该有“S”形道的中间位置
据牛顿第二定律得
据动能定律得:
解得:
如图所示,一固定在地面上的金属轨道ABC,其中AB长s1=1m, BC与水平面间的夹角为α=37°,一小物块放在A处,小物块与轨道间的动摩擦因数均为μ=0.25,现在给小物块一个水平向左的初速度v0=3m/s。小物块经过B处时无机械能损失(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2)。求:
(1)小物块第一次到达B处的速度大小;
(2)小物块在BC段向上运动时的加速度大小;
(3)若小物块刚好能滑到C处,求BC长s2。
正确答案
解:(1)小物块从A运动到B,由动能定理
代入数据解得
(2)小物块从到过程中,由牛顿第二定律
代入数据解得2=8m/s2(3)小物块以初速B沿斜面向上运动至速度为零的过程中,经过的位移为2,由动能定理
代入数据解得2=0.25m
航空母舰上有一架飞机,其质量为1.5×104kg ,飞机在发动机的动力和蒸汽弹射器产生的蒸汽压力的共同作用下,在短短85m的距离内,速度由0增大到252km/h,在这个过程中,合外力对飞机做了多少功?在这段距离内飞机受到的平均合外力为多大?
正确答案
解:根据动能定理W= △Ek
有3. 675×107J
根据W=F合s
得F合=
如图所示,质量M=0.8kg的小车静止在光滑的水平面上,左端紧靠竖直墙,在车上左端水平固定着一只弹簧,弹簧右端放一个质量m=0.2kg的滑块,弹簧为原长时,滑块位于C处(滑块可视为质点),车的上表面AC部分为光滑平面,CB部分为粗糙水平面,CB长L=1m,与滑块的摩擦因数μ=0.4,水平向左推动滑块,将弹簧压缩,然后再把滑块从静止释放,在压缩弹簧过程中推力做功2.5J,滑块释放后,将在车上往复运动,最终停在车上某处,设滑块与车的B端碰撞时机械能无损失,g=10m/s2.
求:(1)滑块释放后,第一次离开弹簧时的速度大小;
(2)滑块停在车上的位置离B端多远?
正确答案
(1)对滑块,由动能定理得:W=Ep=mv2 -0,解得,滑块速度v0=5m/s;
(2)滑块与车组成的系统动量守恒,
由动量守恒定律得:mv0=(M+m)v,解得:车与滑块的共同速度v=1m/s,
车与滑块组成的系统,克服摩擦力产生的热量Q=μmgs=mv2-
(M+m)v2;
解得,s=2.5m,滑块停在车上的位置离B端的距离d=s-2l=0.5m;
答::(1)滑块释放后,第一次离开弹簧时的速度为5m/s;
(2)滑块停在车上的位置离B端为0.5m.
如图所示,AB是一倾角为θ=37°的绝缘粗糙直轨道,滑块与斜面间的动摩擦因数μ=0.30,BCD是半径为R=0.2m的光滑圆弧轨道,它们相切于B点,C为圆弧轨道的最低点,整个空间存在着竖直向上的匀强电场,场强E=4.0×103N/C,质量m=0.20kg的带电滑块从斜面顶端由静止开始滑下。已知斜面AB对应的高度h=0.24m,滑块带电荷q=-5.0×10-4 C,取重力加速度g=10m/s2,sin37°=0.60,cos37°=0.80。求:
(1)滑块从斜面最高点滑到斜面底端B点时的速度大小;
(2)滑块滑到圆弧轨道最低点C时对轨道的压力。
正确答案
解:(1)滑块沿斜面滑下的过程中,受到的滑动摩擦力
=μ(+)cos37°=0.96N
设到达斜面底端时的速度为,根据动能定理得
(+) -
解得1= 2.4m/s
(2)滑块从B到C点,由动能定理可得:
(+)R(1-cos37°)=
当滑块经过最低点时,有FN-( +)=
由牛顿第三定律:FN'= FN解得:FN'=11.36N
一半径为R的绝缘光滑1/4圆弧与绝缘光滑水平面pM相切于p点,平面pM处于水平向左电场强度为E的匀强电场中,如图所示。一质量为m、电何量为q的可视为质点的物块从圆弧某一高度由静止滑下,刚滑到p点的速度为V。求:
(1)物块刚滑到p点时对轨道的压力;
(2)物块从光滑圆弧轨道下滑位置到地面的竖直高度;
(3)物块在平面pM上右滑行的最大位移。
正确答案
解:(1)设物体受到竖直向下的重力mg,竖直向上的支持力N,因为物块刚滑到p点,根据牛顿第二定律:
N-mg=
解出:N=mg+
根据牛顿第三定律,物块对轨道的压力为mg+
(2)物块从光滑圆弧轨道下滑过程中只有重力做功,设竖直高度为h,根据动能定理:
mgh=
解出:h=
(3)设物块在平面p M上滑行的位移为x,根据动能定理:
-Eqx=0-
解出:x=
如图所示,用拉力F使一个质量为m的木箱由静止开始在水平冰道上移动了距离l,拉力F与 木箱前进的方向的夹角为α,木箱与冰道间的动摩擦因数为μ,求木箱获得的速度。
正确答案
解:拉力F对物体做正功
摩擦力Fμ做负功
重力和地面的支持力不做功
初动能Ek1=0
末动能
由动能定理得:
而Fμ=μ(mg-Fsinα)
解得
如图所示,竖直平面内的轨道ABCD由水平轨道AB与光滑的四分之一圆弧轨道CD组成,AB恰与圆弧CD在C点相切,轨道固定在水平面上。一个质量为m的小物块(可视为质点)从轨道的A端以初动能E冲上水平轨道AB,沿着轨道运动,由DC弧滑下后停在水平轨道AB的中点。已知水平轨道AB长为L。求:
(1)小物块与水平轨道的动摩擦因数μ。
(2)为了保证小物块不从轨道的D端离开轨道,圆弧轨道的半径R至少是多大?
正确答案
解:(1)小物块最终停在AB的中点,在这个过程中,由动能定理得
,得
(2)若小物块刚好到达D处,速度为零,同理,有
解得CD圆弧半径至少为
如图所示,质量为的小球用长为的轻质细线悬于点,与点处于同一水平线上的点处有一个光滑的细钉,已知=/2,在点给小球一个水平向左的初速度0,发现小球恰能到达跟点在同一竖直线上的最高点则:
(1)小球到达点时的速率多大?
(2)若不计空气阻力,则初速度0为多少?
(3)若初速度0=3,则小球在从到的过程中克服空气阻力做了多少功?
正确答案
解:(1)小球恰能到达最高点,有=得=
(2)由→由动能定理得:-(+)=
2-
02可求出:0=
(3)由动能定理得:-(+)-=
2-
02可求出:=
一个质量为m,带有电荷-q的小物块,可在水平轨道OX上运动,O端有一与轨道垂直的固定墙,轨道处于匀强电场中,场强大小为E,方向沿OX轴正方向,如图所示,小物体以初速v0从离O点为x0处沿OX轨道运动,运动时受到大小不变的摩擦力f作用,且f<qE。设小物体与墙碰撞时不损失机械能且电量保持不变。求它在停止运动前所通过的总路程s。
正确答案
解:设小物块从开始运动到停止在O处的往复运动过程中位移为x0,往返路程为s。根据动能定理有
解得
质量为m的小球被系在轻绳的一端,在竖直平面内做半径为R的圆周运动,运动过程中小球受空气阻力的作用,设某一时刻小球通过轨道的最低点,此时绳子的张力为7mg,此后小球继续做圆周运动,经过半个圆周恰能通过最高点,求在此过程中小球克服空气阻力所做的功为多少?
正确答案
解:小球在最低点时速度为v1,7mg-mg=mv12/R ①
小球在最高点时速度为v2,mg=mv22/R ②
在这过程中空气阻力所做的功为Wf,由动能定理得:Wf-2Rmg=mv22-
mv12 ③
由①②③得Wf =-mgR
则小球克服空气阻力所做的功为mgR
如图甲所示是一打桩机的简易模型.质量m=1kg的物体在拉力F作用下从与钉子接触处由静止开始运动,上升一段高度后撤去F,到最高点后自由下落,撞击钉子,将钉子打入一定深度.物体上升过程中,机械能E与上升高度h的关系图象如图乙所示.不计所有摩擦,g取10m/s2.求:
(1)物体上升1m后再经多长时间才撞击钉子(结果可保留根号);
(2)物体上升到0.25m高度处拉力F的瞬时功率.
正确答案
(1)由图象可知,物体上升到h1=1m时物体的机械能:
mgh1+mv12=12J,解得v1=2m/s;
撤去拉力后,物体做匀减速直线运动,
-h1=v1t-gt2,解得t=
s;
(2)由功能关系可得:F△h=△E,
物体上升h1=1m时,△E=12J,则拉力F=12N;
由牛顿第二定律可得:F-mg=ma,
由匀变速运动的速度位移公式可得:
v22-0=2ah2,h2=0.25m,
此时拉力的瞬时功率P=Fv2,
解得P=12W;
答:(1)物体上升1m后再经s才撞击钉子;
(2)物体上升到0.25m高度处拉力F的瞬时功率为12W.
如图所示,一长为L=0.64m的绝缘平板PR固定在水平地面上,挡板只固定在平板右端.整个空间有一平行于PR的匀强电场E,在板的右半部分有一垂直纸面向里的匀强磁场B,磁场宽度d=0.32m.一质量m=O.50×10-3kg、电荷量q=5.0×l0-2C的小物体,从板的P端由静止开始向右做匀加速运动,从D点进入磁场后恰能做匀速直线运动,碰到挡板R后被弹回,若在碰撞瞬间撤去电场(不计撤掉电场对原磁场的影响),则物体返回时在磁场中仍做匀速运动,离开磁场后做减速运动且停在C点,PC=,物体与平板间的动摩擦因数μ=0.20,g取10m/s2.
(1)判断电场的方向及物体所带电荷的性质;
(2)求磁感应强度B的大小;
(3)求物体与挡板碰撞过程中损失的机械能.
正确答案
(1)物体由静止开始向右做匀加速运动,证明电场力向右且大于摩擦力,进入磁场后做匀速直线运动,说明它所受摩擦力增大,且所受洛伦兹力方向向下.由左手定则可判断物体带负电物体带负电而所受电场力向右,说明电场方向向左.
(2)设物体被挡板弹回后做匀速直线运动的速度为v2,从离开磁场到停在C点的过程中,根据动能定理有-μmg•=0-
m
得v2=0.8m/s
物体在磁场中向左做匀速直线运动,其受力平衡,则有
mg=Bqv2
解得B=0.125T≈0.13T.
(3)设从D点进入磁场时的速度为v1,据动能定理有qE•L-μmg•
L=
m
物体从D到R做匀速直线运动,其受力平衡有
qE=μ(mg十qv1B)
解得v1=l.6m/s,
故小物体撞击挡板损失的机械能为△E=m
-
m
=4.8×10-4J.
在一个未知的电场中,今从离地面高为h=1m处的A点将一个质量为m=2.0×10-5kg、带电量为q=5.0×10-8C 的小球以大小为v0=4m/s的初速度抛向空中,并以大小为v=5m/s的速度落向地面上的B点.求:
(1)这一过程中,电场力对小球所做的功W;
(2)电场中A、B两点间的电势差UAB.
正确答案
(1)根据动能定理得,mgh+WAB=mvB2-
mvA2
代入数据解得:WAB=-1.1×10-4J.
故这一过程中,电场力对小球所做的功为-1.1×10-4J.
(2)根据WAB=qUAB得,
UAB==
V=-2200V.
故电场中A、B两点间的电势差为-2200V.
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