- 机械能守恒定律
- 共29368题
某人欲将质量m=2.0×102kg的货箱推上高h=1.0m的卡车,他使用的是一个长L=5.0m的斜面(斜面与水平面平滑连接),如图所示.假设货箱与水平面和斜面的动摩擦因数均为μ=0.10,此人沿平行于地面和斜面对货箱所施的最大推力均为Fm=4.0×102N.为计算方便可认为cosθ≈1,g取10m/s2.
(1)通过计算说明此人从斜面底端,用平行于斜面的力不能把货箱匀速推上卡车;
(2)此人要把货箱推上卡车,需要先在水平地面上推动货箱做加速运动,使货箱在斜面的底端 A处具有一定的速度,接着继续用平行于斜面最大推力Fm推货箱.为把货箱推到斜面顶端的卡车上,货箱在斜面底端的速度至少为多大?
(3)此人先以水平力,后以平行于斜面的力推货箱,推力大小总是Fm,那么,把静止于地面的货箱从水平面推到卡车上至少需做多少功?
正确答案
(1)设货箱与斜面间的滑动摩擦力为f,斜面对货箱的支持力为N,斜面倾角为θ,平行于斜面用力把货箱匀速推上卡车用力为F,则:
f=μN
N=mgcosθ
F=f+mgsinθ
F=6.0×102N
因为Fm小于需要的推力6.0×102N,所以不能把货箱匀速推上卡车.
(2)欲求货箱在斜面低端的最小速度,则可设货箱到达斜面顶端时速度为零.设货箱在斜面上做匀减速运动的加速度大小为a1,货箱在斜面底端时速度至少为v,根据牛顿第二定律:
mgsinθ+μmgcosθ-Fm=ma1解得:
a1=1.0 m/s2
根据运动学公式有:v2=2a1L
解得:v=m/s≈3.2m/s
(3)要使推力做功最少,则货箱到达斜面顶端时速度为零,即货箱通过A点时速度为v,设货箱在推力Fm作用下沿水平面运动距离为s到斜面底端时,速度大小为v,根据动能定理有:
Fms-μmgs=mv2解得:s=5.0m
此人在全过程做的功为:W=Fm(s+L)=4.0×103J;
答:(1)不能将货箱推上去;
(2)货箱在斜面底端的速度至少为3.2m/s;
(3)此人在全程做的功为4.0×103J.
如图所示,一根质量为m的金属棒MN水平放置在两根竖直的光滑平行金属导轨上,并始终与导轨保持良好接触,导轨间距为L,导轨下端接一阻值为R的电阻,其余电阻不计.在空间内有垂直于导轨平面的磁场,磁感应强度大小只随竖直方向y变化,变化规律B=ky,k为大于零的常数.质量为M=4m的物体静止在倾角θ=30°的光滑斜面上,并通过轻质光滑定滑轮和绝缘细绳与金属棒相连接.当金属棒沿y轴方向从y=0位置由静止开始向上运动h时,加速度恰好为0.不计空气阻力,斜面和磁场区域足够大,重力加速度为g.求:
(1)金属棒上升h时的速度;
(2)金属棒上升h的过程中,电阻R上产生的热量;
(3)金属棒上升h的过程中,通过金属棒横截面的电量.
正确答案
(1)当金属棒的加速度为零时,Mgsin30°=F+mg
库仑力:F=BIL=KhIL
感应电流:I==
解以上方程得:v=
(2)设产生的焦耳热为Q,由能量的转化与守恒得:
(M+m)v2=Mghsinθ-mgh-Q
解得:Q=mgh-
(3)金属棒上升h的过程中,磁通量的变化:△Φ=Lh=
kh•Lh=
kh2L
流过金属棒截面的电量:q=•△t=
•△t
=
解得:q=
答:(1)金属棒上升h时的速度v=;
(2)金属棒上升h的过程中,电阻R上产生的热量mgh-;
(3)金属棒上升h的过程中,通过金属棒横截面的电量.
如图所示,某货场利用固定于地面的、半径R=1.8m的四分之一圆轨道将质量为m1=10kg的货物(可视为质点)从高处运送至地面,已知当货物由轨道顶端无初速滑下时,到达轨道底端的速度为5m/s.为避免货物与地面发生撞击,在地面上紧靠轨道依次排放两块完全相同的木板A、B,长度均为l=2m,质量均为m2=20kg,木板上表面与轨道末端相切.货物与木板间的动摩擦因数为μ=0.4,木板与地面间的动摩擦因数μ2=0.1.(最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等,取g=10m/s2)
(1)求货物沿圆轨道下滑过程中克服摩擦力做的功
(2)通过计算判断货物是否会从木板B的右端滑落?若能,求货物滑离木板B右端时的速度;若不能,求货物最终停在B板上的位置.
正确答案
(1)设货物沿圆轨道下滑过程中克服摩擦力做的功为Wf,对货物,
由动能定理得:
m1gR-Wf=m1v2
Wf=m1gR-m1v2=55J
(2)当货物滑上木板A时,货物对木板的摩擦力f1=μ1m1g=40N
地面对木板A、B的最大静摩擦力f2=μ2(2m2+m1)g=50N
由于f1<f2,
此时木板A、B静止不动.
设货物滑到木板A右端时速度为v1,由动能定理:-μ1m1gl=m1
-
m1v2
得:v1=3m/s
当货物滑上木板B时,地面对木板A、B最大静摩擦力f3=μ2(m2+m1)g=30N
由于f1>f3,此时木反B开始滑动.
设货物不会从木板B的右端滑落,二者刚好相对静止时的速度为v2.
则对货物:a1=μ1g=4m/s2
v2=v1-a1t
对木板B:a2==0.5m/s2
v2=a2t
由以上两式可得:v2=m/s
t=s
此过程中,s1=(v1+v2)t=
ms2=
v2t=
m
由于s1-s2=1.0m<l,所以货物最终未从木板B上滑了,且与其右端的距离为1.0m
答:(1)货物沿圆轨道下滑过程中克服摩擦力做的功为55J;
(2)货物最终未从木板B上滑了,且与其右端的距离为1.0m
跳水运动是我国体育运动的优势项目,某运动员参加10m跳台的跳水比赛,如其质量为m=60kg,其体形可等效为长度L=1.0m,直径d=0.3m的圆柱体,不计空气阻力,运动员站立在跳台上向上跳起到达最高点时,他的重心离跳台台面的高度为1.3m,在从起跳到接触水面过程中完成一系列动作,入水后水的等效阻力F(未包含浮力)作用于圆柱体的下端面,F的数值随入水深度y变化的函数图象如图所示,该直线与F轴相交于F=2.5mg处,与y轴相交于y=h (某一未知深度),已知水的密度ρ=1×103㎏/m3,根据以上的数据进行估算(g取10m/s2).
(1)运动员起跳瞬间所做的功;
(2)运动员起跳瞬间获得的速度大小;
(3)运动员刚接触到水面瞬间的动能;
(4)运动员入水可以达到的最大深度h (结果保留两位有效数字).
正确答案
(1)运用动能定理研究运动员站立在跳台上向上跳起到达最高点得:
运动员起跳瞬间所做的功为W,
W-mgh1=0-0
W=60×10×(1.3-0.5)=480J
(2)运动员起跳过程
W=mv2-0
v=4m/s
(3)运动员从起跳到刚接触水面,运用动能定理得:
mgh′=Ek′-mv2解得:运动员刚接触到水面瞬间的动能Ek′=6480J.
(4)运动员从刚接触水面到最深处
mgh-×2.5mgh-
ρgVL-ρgV(h-L)=0-
mvˊ2
体积V=π()2•L
解得:h=7.98m
答:(1)运动员起跳瞬间所做的功是480J;
(2)运动员起跳瞬间获得的速度大小是4m/s;
(3)运动员刚接触到水面瞬间的动能是6480J;
(4)运动员入水可以达到的最大深度是7.98 m
如图所示,摩托车做腾跃特技表演,从静止开始沿曲面冲上高0.8m、顶部水平的高台,若摩托车冲上高台的过程中始终以额定功率1.8kW行驶,经过2s到达平台顶部,之后关闭发动机,然后水平离开平台,恰能无碰撞地沿圆弧切线从A点切入光滑竖直圆弧轨道,并沿轨道下滑.A、B为圆弧两端点,其连线水平,圆弧所对的圆心角θ为106°.已知圆弧半径为R=10m,人和车的总质量为180kg(人与摩托车可视为质点,忽略空气阻力,取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6).求:
(1)从平台飞出到A点,人和车运动的速度vA大小.
(2)摩托车经圆弧最低点C时对轨道的压力.
(3)摩托车冲上高台过程中克服阻力(不包括重力)做的功.
正确答案
(1)摩托车飞离平台后,做平抛运动,到达A点时,速度与水平方向夹角53°竖直方向的分速度vy==4m/s
故合速度vA==5m/s.
(2)从A到C过程,根据机械能守恒定律,得
m
+mgR(1-cos53°)=
mvc2
在C点,根据牛顿第二定律
FN-mg=m
代入数值,得FN=3690N
由牛顿第三定律知,摩托车对轨道的压力大小也为3690N.
(3)摩托车上坡过程中,根据动能定理
Pt-mgh-Wf=mv2
在高台上速度v=vytan37°=3m/s,代入解得Wf=1350J.
答:
(1)从平台飞出到A点,人和车运动的速度vA大小为5m/s.
(2)摩托车经圆弧最低点C时对轨道的压力是3690N.
(3)摩托车冲上高台过程中克服阻力(不包括重力)做的功为1350J.
如图所示是录自明代《天工开物》中的一幅图,它描述的是我同古代的一种农业机械,叫做水碾.它是利用水的动能来做功的装置.当水冲击下部水轮时,转动的轮子会带动上部的石碾来碾米.水从右边进入,左边流出.假若每秒钟冲击叶片的水流为10kg,水速从5m/s减小为1m/s.则每秒钟水流对叶轮做的功为多大?______.
正确答案
每秒钟水流的动能变化为:.
水流对叶轮做功等于水流的动能变化:W=△Ek=120J
答:每秒钟水流对叶轮做的功为120J.
如图所示,小车的质量为M=3kg,车的上表面左端为光滑圆弧BC,右端为水平粗糙平面AB,二者相切于B点,AB的长为L=4m,一质量为m=1kg的小物块,放在车的最右端,小物块与车之间的动摩擦因数为μ=0.10.车和小物块一起以v0=4m/s的速度在光滑水平面上匀速向左运动,小车撞墙后瞬间速度变为零,但未与墙粘连.g取10m/s2,求:
(1)小物块沿圆弧上升的最大高度为多少?
(2)小物块从最高点返回后与车的速度相同时,小物块距B端多远.
正确答案
(1)小物块从开始到上升到最高点的过程中,
由能量守恒定律得:mgh=m
-μmgL,
解得:h=0.4m;
(2)物块从开始返回B点过程,
由动能定理得:-μmgL=mv12-
mv02,
解得:v1=2m/s,
物块从B向右滑行过程中,
由动量守恒定律得:mv1=(M+m)v2,
解得v2=m/s,
由能量守恒定律得:mv12-
(M+m)v22=μmgL1,
解得:L1=3m.
答:(1)小物块沿圆弧上升的最大高度为0.4m.
(2)小物块从最高点返回后与车的速度相同时,小物块距B端3m.
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
从释放到第一次到最高点的过程中运用动能定理得:
mg(H-h)-f(H+h)=0
解得:h=H
从释放到最后静止的过程中,运用动能定理得:
mgH=fs
解得:s=
答:小球第一次碰地后反弹的高度是H;小球从释放直至停止弹跳的总路程为
.
如图所示,设从灼热金属丝逸出的电子流初速为零,并设该电子流,经加速后进入偏转电场.已知加速电场的电压是U0,偏转极板间的电压是U,偏转板长L,相距d,电子电量为e,质量为m.求:
(1)电子进入偏转电场时的速度v0大小;A
(2)电子离开偏转电场时的侧移距离y;
(3)电子离开偏转电场时的速度v大小.
正确答案
(1)电子在加速电场中运动时只有电场力做功,
由动能定理得:eu0=mv02解得:v0=
(2)电子离开偏转电场后做类平抛运动,水平方向匀速,竖直方向初速度为零的匀加速运动;
水平:L=v0t
竖直:y=at2解得:y=
(
)2=
(3)由于竖直方向初速度为零的匀加速运动;
所以:vy=at=
v==
=
由动能定理:ey=
mv2-
mv02解得:v=
答:(1)电子进入偏转电场时的速度v0大小为v0=.
(2)电子离开偏转电场时的侧移距离为.
(3)电子离开偏转电场时的速度v大小为.
在光滑的水平面上沿直线按不同的间距依次排列着质量均为m的滑块,1、2、3、…(n-1)、n,滑块P的质量也为m.P从静止开始在大小为F的水平恒力作用下向右运动,经时间T与滑块1碰撞,碰撞后滑块便粘连在一起.以后每经过时间T就与下一滑块碰撞一次,每次碰撞后均粘连在一起,每次碰撞时间极短,每个物块都可简化为质点.求
(1)第一次碰撞后瞬间的速度及第一次碰撞过程中产生的内能;
(2)发生第n次碰撞后瞬间的速度vn为多大;
(3)第n-1个滑块与第n个滑块间的距离sn-1.
正确答案
(1)设第一次碰撞前瞬间P的速度为u1,根据动量定理得:FT=mu1
得撞前瞬间的速度u1=
因碰撞时间极短,第一次碰撞后瞬间的速度为V1,根据动量守恒得:mu1=2mV1
得碰后瞬间速度V1=
第一次碰撞过程中产生的内能:△E=mu12-
2mV12=
(2)因每次碰撞时间极短,对从开始到发生第n次碰撞后瞬间应用动量定理:
F•nT=(n+1)mVn
解得:Vn=
(3)同理可以求出第(n-1)次碰后的速度Vn-1=
对第n次碰撞前全过程应用动量定理
FnT=nmun
得到:un= (与n无关)
对n-1到n之间应用动能定理:
FSn-1=nmun2-
nm
代入化简得:Sn-1=
答:
(1)第一次碰撞后瞬间的速度为度V1=,第一次碰撞过程中产生的内能为
;
(2)发生第n次碰撞后瞬间的速度vn为;
(3)第n-1个滑块与第n个滑块间的距离sn-1=.
某景观喷泉的喷射装置截面图如图所示,它由竖直进水管和均匀分布在同一水平面上的N个喷嘴组成,喷嘴的横截面积均相同,与进水管中心的距离均为r,离水面的高度为h。水泵启动后,水从水池压到喷嘴并沿径向水平喷出,在水池面上的落点与进水管中心的水平距离为R。已知水泵的输出功率恒为P,水的密度为ρ,重力加速度为g,忽略水泵到水面的距离,不计水进入水泵时的速度以及水在管道和空中运动时的机械能损失。求:
(1)水从喷嘴喷出时的速率v;
(2)在水从喷嘴喷出到落入水池面的时间内,水泵对水做的功W和输送水的总质量m;
(3)每个喷嘴的横截面积S0。
正确答案
(1)v=(R-r) (2)m=
(3)
试题分析:(1)水从喷嘴喷出后做平抛运动,由平抛运动规律有
R-r=vt
H=gt2/2
由①②式得
v=(R-r)
(2)在t时间内,水泵对水做的功
W="Pt"
由②④式得
w=P
由动能定理有
w-mgh=mv2/2
由③⑤⑥式得
m=
(3)在t时间内,依题意有 m=NρS0vt
由①⑦⑧式得
S0=
把质量为2kg的物体竖直向上抛出,初速度是12m/s,经1s物体到达所能达到的最高点.设空气阻力大小不变,则前2s内物体重力势能的增加量是多大?空气阻力对物体做了多少功?(g取10m/)
正确答案
40J ,-40J
如图所示,地面和半圆轨道面PTQ均光滑.质量M=lkg的小车放在地面上,小车上表面与半圆轨道最低点P的切线相平.现有一质量m=2kg的滑块(不计大小)以的初速度滑上小车左端,带动小车向右运动,小车跟墙壁碰撞时,滑块处在小车正中间位置且恰好与小车达到共同速度,碰后小车即被粘在墙壁上,滑块最终通过了半圆形轨道的最高点,已知滑块与小车表面的动摩擦因数片
求:(1)小车的长度L;
(2)圆轨道半径R的取值范围.
正确答案
(1) 6m (2) R≤0.08m
试题分析:(1)对滑块…………(1分)
…………(1分)
对小车…………(1分)
…………(1分)
又………(1分)
由以上各式解得L=6m………(1分)
(2)由动能定理得…………(1分)
若恰好通过最高点,由牛顿第二定律得……………(1分)
解得R=0.08m………(1分)
所以半径的取值范围为R≤0.08m
点评:该题要求同学们能根据解题需要选择不同的运动过程运用动能定理解题,以及能熟练运用平抛运动的基本公式,难度中等.
(09·天津·10) 如图所示,质量m1="0.3" kg 的小车静止在光滑的水平面上,车长L="15" m,现有质量m2="0.2" kg可视为质点的物块,以水平向右的速度v0="2" m/s从左端滑上小车,最后在车面上某处与小车保持相对静止。物块与车面间的动摩擦因数=0.5,取g="10" m/s2,求
(1)物块在车面上滑行的时间t;
(2)要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车左端的速度v′0不超过多少。
正确答案
:(1)0.24s (2)5m/s
:本题考查摩擦拖动类的动量和能量问题。涉及动量守恒定律、动量定理和功能关系这些物理规律的运用。
(1)设物块与小车的共同速度为v,以水平向右为正方向,根据动量守恒定律有
①
设物块与车面间的滑动摩擦力为F,对物块应用动量定理有
②
其中 ③
解得
代入数据得 ④
(2)要使物块恰好不从车厢滑出,须物块到车面右端时与小车有共同的速度v′,则
⑤
由功能关系有
⑥
代入数据解得 =5m/s
故要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车的速度v0′不能超过5m/s。
如图所示,水平绝缘轨道AB与处于竖直平面内的半圆形绝缘光滑轨道BC平滑连接,半圆形轨道的半径R=0.40m.轨道所在空间存在水平向右的匀强电场,电场强度E=1.0×104N/C.现有一电荷量q=+1.0×10-4C,质量m=0.10kg的带电体(可视为质点),在水平轨道上的P点由静止释放,带电体运动到圆形轨道最低点B时的速度vB=5.0m/s.已知带电体与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.50,重力加速度g=10m/s2.求:
(1)带电体运动到圆形轨道的最低点B时,圆形轨道对带电体支持力的大小;
(2)带电体在水平轨道上的释放点P到B点的距离;
(3)带电体第一次经过C点后,落在水平轨道上的位置到B点的距离.
正确答案
(1)设带电体在B点受到的支持力为N,依据牛顿第二定律
N-mg=m解得 N=7.25N
(2)设PB间的距离为s,带电体从P运动到B过程,依据动能定理得
(qE-μmg)s=m
解得:s=2.5m
(3)设带电体运动到C点的速度为vC,依据动能定理得
m
=
m
+2mgR
带电体离开C点后在竖直方向上做自由落体运动,设在空间运动的时间为t,则
2R=gt2
在水平方向上做匀减速运动,设在水平方向的加速度大小为a,依据牛顿第二定律
qE=ma
设落在水平轨道上的位置到B点的距离为x,依据运动学公式得
x=vCt-at2
联立解得:x=0.40m
答:
(1)带电体运动到圆形轨道的最低点B时,圆形轨道对带电体支持力的大小是7.25N;
(2)带电体在水平轨道上的释放点P到B点的距离是2.5m;
(3)带电体第一次经过C点后,落在水平轨道上的位置到B点的距离是0.40m.
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