- 机械能守恒定律
- 共29368题
(12分)如图所示,在竖直平面内一个带正电的小球质量为m,所带的电荷量为q,用一根长为L不可伸长的绝缘细线系在一匀强电场中的O点.匀强电场方向水平向右,分布的区域足够大.现将带正电小球从O点右方由水平位置A点无初速度释放,小球到达最低点B时速度恰好为零.
(1)求匀强电场的电场强度E的大小;
(2)若小球从O点的左方由水平位置C点无初速度释放,则小球到达最低点B所用的时间t是多少?
正确答案
(1)(2)
试题分析:(1)对小球由A到B的过程,由动能定理得mgL-qEL=0,
解得:
(2)小球由C点释放后,将做匀加速直线运动,到B点时的速度为vB.小球做匀加速直线运动的加速度为a
(12分)如图所示,在水平方向的匀强电场中有一表面光滑、与水平面成45°角的绝缘直杆AC,其下端(C端)距地面高度h=0.8 m.有一质量为500 g的带电小环套在直杆上,正以某一速度沿杆匀速下滑,小环离开杆后正好通过C端的正下方P点.(g取10 m/s2)
求:(1)小环离开直杆后运动的加速度大小和方向;
(2)小环在直杆上匀速运动时速度的大小;
(3)小环运动到P点的动能.
正确答案
(1)14.1m/s2;垂直于杆斜向右下方(2)2m/s (3)5J
试题分析:(1)小环在直杆上的受力情况如图所示.
由平衡条件得:mgsin45°=Eqcos45° ①
得: mg=Eq,
离开直杆后,只受mg、Eq作用,则:
F合= mg=ma ② (1分)
a=g=10
m/s2≈14.1 m/s2
方向与杆垂直斜向右下方.
(2)设小环在直杆上运动的速度为v0,离杆后t秒到达P点,则:
竖直方向: ③
水平方向: ④
联立解得:
(3)由动能定理得: ⑤
代入数据解得:
如图所示,在沙堆表面放置一长方形木块A,其上面再放一个质量为m=0.10kg的爆竹B,木块的质量为M=6.0kg。当爆竹爆炸时,因反冲作用使木块陷入沙中深度h=50cm,而木块所受的平均阻力为f=80N。若爆竹的火药质量以及空气阻力可忽略不计,g取 ,求爆竹能上升的最大高度。
正确答案
试题分析:木块下陷过程中受到重力和阻力作用,根据动能定理可得(1)
爆竹爆炸过程中木块和爆竹组成的系统动量守恒,故有(2)
爆竹完后,爆竹做竖直上抛运动,故有(3)
联立三式可得:
点评:基础题,比较简单,本题容易错误的地方为在A下降过程中容易将重力丢掉
有一平行板电容器倾斜放置,极板AB、CD与水平面夹角,板间距离为d,AB板带负电、CD板带正电,如图所示,有一质量为m、电荷量大小为q的带电微粒,以动能EK沿水平方向从下极板边缘A处进入电容器,并从上极板边缘D处飞出,运动轨迹如图中虚线所示,试求:
(1)带电徽粒的电性。
2)两极板间的电势差。(
3)微粒飞出时的动能(重力加速度为g)
正确答案
(1)负电;(2)q(3)
试题分析:带电粒子在平行板电容器中能沿直线运动,说明合力的方向为水平方向,由此可判断电场力只能斜向上,所以粒子带负电,由重力和电场力的合力水平向右可知电场力的大小等于,场强大小为
,由U=Ed可知电势差为
,微粒飞出过程中重力不做功,只有电场力做功,由动能定理可知飞出电场时的动能为
点评:关键是分析受力情况,判断出粒子做匀速直线运动.
如图所示,一质量为m =" 0.5" kg的小滑块,在F =" 4" N水平拉力的作用下,从水平面上的A处由静止开始运动,滑行s =" 1.75" m后由B处滑上倾角为37°的光滑斜面,滑上斜面后拉力的大小保持不变,方向变为沿斜面向上,滑动一段时间后撤去拉力。已知小滑块沿斜面上滑到的最远点C距B点为L =" 2" m,小滑块最后恰好停在A处。不计B处能量损失,g取10 m/s2,已知sin37° = 0.6 cos37° = 0.8。试求:
(1)小滑块与水平面间的动摩擦因数μ。
(2)小滑块在斜面上运动时,拉力作用的距离x。
(3)小滑块在斜面上运动时,拉力作用的时间t。
正确答案
(1) μ=(2) x="1.25m(3)" t=0.5s。
根据滑块运动情况,依据动能定理,列方程解答。
解:(1)小滑块由C运动到A,由动能定理,mgsin37°·L-μmgs=0
解得小滑块与水平面间的动摩擦因数μ=。
(2) 小滑块由A运动到C,由动能定理, Fs-μmgs+Fx- mgsin37°·L =0
解得小滑块在斜面上运动时,拉力作用的距离x=1.25m。
(3) 小滑块由A运动到C,由动能定理, Fs-μmgs=mv2,
由牛顿第二定律,F- mgsin37° =ma
由运动学公式,x=vt+at2,
联立解得小滑块在斜面上运动时,拉力作用的时间t=0.5s
如图所示,用恒力F使一个质量为m的物体由静止开始沿水平地面移动的位移为,力,跟物体前进的方向的夹角为
,物体与地面间的动摩擦因数为μ,求:
(1)拉力F对物体做功W的大小;
(2)地面对物体的摩擦力f的大小;
(3)物体获得的动能EK.
正确答案
略
如图所示,质量为M的木板长为L,木板的两个端点分别为A、B,中点为O,木板置于光滑的水平面上并以v0的水平初速度向右运动.若把质量为m的小木块(可视为质点)置于木板的B端,小木块的初速度为零,最终小木块随木板一起运动.小木块与木板间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g.求:
(1)小木块与木板相对静止时,木板运动的速度;
(2)从小木块放上木板到它与木板相对静止的过程中,木板运动的位移;
(3)小木块与木板间的动摩擦因数μ的取值在什么范围内,才能使木块最终相对于木板静止时位于OA之间.
正确答案
(1)小木块在木板上滑动直至相对静止的过程中系统动量守恒,设相对静止时共同速度为v,则
Mv0=(M+m)v…①
解得 v=v0…②
(2)从小木块放上木板到它与木板相对静止的过程中,设木板运动的位移为x,对木板应用动能定理得
-f•x=Mv2-
M
…③
又 f=μN=μmg…④
解得 x=
(3)设小木块恰好相对静止在A点,对系统由能量守恒和功能关系可得:
f•L=M
-
(M+m)v2…⑤
由①、④、⑤三个方程解得μ=
设小木块恰好相对静止在O点,对系统由能量守恒和功能关系可得:
f•=
M
-
(M+m)v2…⑥
由①、④、⑥三个方程解得μ′=
所以要使木块m最终滑动到OA之间,μ值应取为≥μ≥
答:
(1)小木块与木板相对静止时,木板运动的速度是v0;
(2)从小木块放上木板到它与木板相对静止的过程中,木板运动的位移是;
(3)小木块与木板间的动摩擦因数μ的取值在≥μ≥
范围内,才能使木块最终相对于木板静止时位于OA之间.
如图所示,某滑道由AB、BC两段轨道组成,轨道交接处均由很小的圆弧平滑连接(不考虑机械能损失),其中轨道AB段是光滑的,水平轨道BC的长度x1=7.5m,A点离轨道BC的高度为h=5.0m.现让质量为m的小滑块自A点由静止释放,已知小滑块与水平轨道间的动摩擦因数为μ=0.5,重力加速度g取10m/s2.求:
(1)小滑块到达C点时的速度大小;
(2)小滑块由B点运动到C点的时间;
(3)小滑块最终静止的位置距B点的距离X2.
正确答案
(1)小物块从A到C过程中,
由动能定理得:mgh-μmgx1=mvC2-0,
解得:vC=5m/s;
(2)滑块由A到B过程中,
由动能定理得:mgh=mvB2-0,解得vB=10m/s,
由牛顿第二定律得:μmg=ma,
由匀变速运动的速度公式可得:vC=vB-at,
解得:t=1s;
(3)在整个过程中,由动能定理得:mgh-μmgx2=0-0,解得x2=10m.
答:(1)小滑块到达C点时的速度大小为5m/s;
(2)小滑块由B点运动到C点的时间为1s;
(3)小滑块最终静止的位置距B点的距离为10m.
如图所示,质量为m=0.2kg的小物体放在光滑的圆弧上端,圆弧半径R=55cm,下端接一长为1m的水平轨道AB,最后通过极小圆弧与倾角α=37°的斜面相接,已知物体与水平面和斜面轨道的动摩擦因数均为0.1,将物体无初速度释放,求:
(1)物体第一次滑到水平轨道与右侧斜面轨道交接处的速度大小
(2)物体第一次滑上右侧斜轨道的最大高度(取g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6)
正确答案
已知m=0.2kg,k=0.55m,SAB=1m,m=0.1 α=37°
(1)小物体内圆弧上端到B点的过程中,由动能定理有
mgR•μmgSAB=m
θ…(1)
=2gR-2μgSAB=9…(2)
υB=3m/s…(3)
(2)设物体第一次滑上右侧轨道最大高度为H
此时物体离B点的距离为S,由几何关系有=sinα…(4)
由动能定理有-μmgcosα•S-mgH=0-m
…(5)
将(4)式代入(5)式 有
H=≈0.40m
答:(1)物体第一次滑到水平轨道与右侧斜面轨道交接处的速度大小是3m/s
(2)物体第一次滑上右侧斜轨道的最大高度是0.40m
飞行时间质谱仪可以根据带电粒子的飞行时间对气体分子进行分析.如图所示,在真空状态下,自脉冲阀P喷出微量气体,经激光照射产生不同正离子,自a板小孔进入a、b间的加速电场,从b板小孔射出,沿中线方向进入M、N板间的方形区域,然后到达紧靠在其右侧的探测器.已知极板a、b间的电压为U0,间距为d,极板M、N的长度和间距均为L.不计离子重力及经过a板时的初速度.
(1)若M、N板间无电场和磁场,请推导出离子从a板到探测器的飞行时间t与比荷k(k=,q和m分别为离子的电荷量和质量)的关系式;
(2)若在M、N间只加上偏转电压U1,请论证说明不同正离子的轨迹是否重合;
(3)若在M、N间只加上垂直于纸面的匀强磁场.已知进入a、b间的正离子有一价和二价的两种,质量均为m,元电荷为e.要使所有正离子均能通过方形区域从右侧飞出,求所加磁场的磁感应强度的最大值Bm.
正确答案
(1)带电离子在平行板a、b之间运动时,由动能定理,qU0=mv2
解得:v=,
即:v=…①
带电离子在平行板a、b之间的加速度:a1=,
即:a1=.
所以带电离子在平行板a、b之间的运动时间:t1==
.
带电离子在平行板M、N之间的运动时间:t2==
.,
所以带电离子从a板到探测器的飞行时间为:t=t1+t2=.
(2)带电离子在平行板M、N之间水平位移为x时,在竖直方向位移为y,
水平方向满足:x=vt,
竖直方向满足:y=a2t2,a2=
联立解得:y=…②
②式是正离子的轨迹方程,与正离子的质量和电荷量均无关系,所以不同正离子的轨迹是重合的.
(3)当MN间的磁感应强度大小为B时,离子做圆周运动,满足qvB=…③
由①③两式解得带电离子的轨道半径R=…④
上式表明:在离子质量一定的情况下,离子的电荷量越大,在磁场中做圆周运动的半径越小,也就越不容易穿过方形区从右侧飞出.所以,要使所有的一价和二价正离子均能通过方形区从右侧飞出,只要二价正离子能从方形区飞出即可.当二价正离子刚好能从方形区刚好能从方形区域飞出时的磁感应强度为满足题目条件的磁感应强度的最大值.
设当离子刚好通过方形区从右侧飞出时的轨道半径为R,由几何关系得:
R2=L2+(R-)2
解得:R=L…⑤
将二价正离子的电荷量2e代人④得,R=…⑥
由⑤⑥式得:B=.
此值即为所求的所加磁场的磁感应强度的最大值Bm.
答:(1)离子从a板到探测器的飞行时间t是,
(2)若在M、N间只加上偏转电压U1,正离子的轨迹方程,与正离子的质量和电荷量均无关系,所以不同正离子的轨迹是重合的.;
(3)要使所有正离子均能通过方形区域从右侧飞出,所加磁场的磁感应强度的最大值是.
如图所示,光滑水平轨道与半径为R的光滑竖直半圆轨道在B点平滑连接.在过圆心O的水平界面MN的下方分布有水平向右的匀强电场.现有一质量为m,电量为+q的小球从水平轨道上A、点由静止释放,小球运动到C点离开圆轨道后,经界面MN上的P点进入电场(P点恰好在A点的正上方,如图.小球可视为质点,小球运动到C点之前电量保持不变,经过C点后电量立即变为零).已知A、B间距离为2R,重力加速度为g.在上述运动过程中,求:
(1)电场强度E的大小;
(2)小球在圆轨道上运动时的最大速率:
正确答案
(1)设电场强度为E,
小球过C点时速度大小为vc,
小球从A到C由动能定理:
qE•3R-mg•2R=mvC2
小球离开C点后做平抛运动到P点:
R=gt2
2R=vct
联立方程解得:
E=
即电场强度E的大小为
(2)设小球运动到圆周D点时速度最大为v,
此时OD与竖直线OB夹角设为α,
小球从A运动到D过程,
根据动能定理:
qE(2R+Rsinα)-mgR(1-cosα)=mv2即:
mv2=mgR(sinα+cosα+1)
根据数学知识可得,
当α=45°时动能最大
由此可得:vm=
答:(1)电场强度E的大小为;
(2)小球在圆轨道上运动时的最大速率为
如图甲所示,光滑平行金属导轨水平放置,间距为L,导轨一部分处在垂直导轨平面向下的匀强磁场中,MN为磁场边界,磁感应强度为B,导轨右侧接有定值电阻R,导轨电阻忽略不计.在距离MN为L的处垂直导轨放置一根质量为m、电阻为r的金属杆ab.试求:(1)若固定a b杆,磁场按Bt=Bcosωt规律由B减小到零,在此过程中电阻R上产生的电热Q1是多少;
(2)若磁感应强度大小保持B大小不变,用水平向右的恒力使ab杆由静止开始向右运动,其速度-位移的关系图象如图乙所示,则ab杆在离开磁场前瞬间的加速度为多大;在ab杆滑过3L的过程中电阻R上产生的电热Q2是多少?.
正确答案
(1)当磁场按Bt=Bcosωt规律变化时,回路中产生的电动势大小为
e=L2=BL2ωsinϖt
其有效值为 E=
磁场由B减小到零经历的时间为 t==
在此过程中,电阻R产生的热量 Q1=()2Rt=
(2)设恒定的拉力大小为F,在ab杆离开磁场区的瞬间,牛顿第二定律:F-=ma
在ab杆在磁场运动过程中,由动能定理F•l-Q2=m
在ab杆离开磁场继续向前运动2L的过程中:F•2L=m(
-
)
联立上述三个等式可得:a=-
Q2=m(
-3
)
答:(1)若固定a b杆,磁场按Bt=Bcosωt规律由B减小到零,在此过程中电阻R上产生的电热Q1是;
(2)ab杆在离开磁场前瞬间的加速度为-
;
在ab杆滑过3L的过程中电阻R上产生的电热Q2是m(
-3
).
北京时间2013年4月20日8时02分,在四川省雅安市芦山县发生7.0级地震.地震引发多处山体崩塌,严重危害灾区人民的生命和财产安全.研究崩塌体的运动时可建立如图所示的简化模型,当崩塌体速度较低、坡面较缓时,崩塌体的运动可视为滑动.假设某崩塌体质量为m,初速度为零,当地重力加速度为g,为坡面与水平面的夹角,H为崩塌体距水平面的高度,为崩塌体与坡面以及地面间的动摩擦因数.不考虑崩塌体途经A处时的速度大小变化.求:
(1)崩塌体滑动到坡底A点时的速度大小;
(2)水平面上安全位置距A点的最小距离.
正确答案
(1)设崩塌体滑到A点的速度为v,则
由动能定理得:mgH-μmgcosθ•=
mv2-0
解得:v=
(2)设最小安全距离为x,则
由动能定理得-μmgx=0-mv2
解得:x=H(-cotθ)
答:(1)崩塌体滑动到坡底A点时的速度大小是;
(2)水平面上安全位置距A点的最小距离是H(-cotθ).
在平行板电容器之间有匀强电场,一带电粒子以速度v垂直电场线射入电场,在穿越电场的过程中,粒子的动能由Ek增加到2Ek,若这个带电粒子以速度2v垂直进入该电场,则粒子穿出电场时的动能为多少?
正确答案
建立直角坐标系,初速度方向为x轴方向,垂直于速度方向为y轴方向.
设粒子的质量m,带电量为q,初速度v;匀强电场为E,在y方向的位移为y.
速度为2v时通过匀强电场的偏移量为y′,平行板板长为L.
由于带电粒子垂直于匀强电场射入,粒子做类似平抛运动.
x方向上:L=vt
y方向上:y=at2=
(
)2
两次入射带电粒子的偏移量之比为
=
=
,
粒子增加的动能 Eqy=2EK-EK
速度为2v时增加的动能为 Eqy′=2E′K-m(2v)2=E′K-4EK
解方程组得:E′K=4.25EK
所以粒子穿出电场时的动能为4.25EK.
如图所示,一固定直杆AB长为L=2m,与竖直方向的夹角为θ=53°,一质量为m=4kg、电荷量为q=+3×10-5C的小球套在直杆上,球与杆间的动摩擦因数为μ=0.5.直杆所在处空间有水平向右的匀强电场,场强为E=106N/C,求:
(1)小球静止起从杆的最高点A滑到最低点B时的速度大小v1;
(2)若杆与竖直方向的夹角换成不同的值,小球滑到B时的速度也会不同,为使小球滑到杆的B端时的速度最大,某同学认为应使杆沿竖直方向放置,因为这样重力做的功最多.你认为是否正确,若认为是正确的,请求出此最大速度v2,若认为不正确,请说明理由并求出此时杆与竖直方向的夹角及此最大速度v2.
正确答案
(1)对小球进行受力分析有:
小球所受电场力大小为Fe=qE=3×10-5×106N=30N,
垂直于杆方向有:FN=mgsinθ-Fecosθ=(40×0.8-30×0.6)N=14N,
摩擦力大小为Ff=μ FN=0.5×14N=7N,
小球从最高点运动到最低点过程中,由动能定理得:
(Fesinθ+mgcosθ-Ff)L=mv12
代入数据可解得v1=6.4m/s
(2)某同学的说法不正确,因为此时虽然重力做功多了但是电场力不做功了,而且克服摩擦力做功也多了,所以末动能不是最大.
为使小球到达B点时的速度最大,只要重力与电场力做的功最多而克服摩擦力做的功最小,则杆应沿重力与电场力的合力方向,即与竖直方向夹角为θ=37°此时摩擦力为0,
由动能定理得:
(Fesinθ+mgcosθ)L=mv22
解得v2=7.07m/s
答:(1)小球滑到低端时的速度大小为6.4m/s;
(2)该同学说法不正确,小不过滑到低端时的最大速度为7.07m/s.
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