- 机械能守恒定律
- 共29368题
如图所示,将两个等量异种点电荷+Q和-Q分别固定于竖直线上的A、B两点,AB间距离为2d.EF为AB的中垂线.将质量为m、电荷量为+q(可视为质点且不影响原电场的分布)的带电小球固定在可绕O点自由转动的绝缘细杆的一端.从小球位于最高点C处由静止释放,已知OC=小球经过F点时速度为v,重力加速度为g,不计细杆重力和摩擦阻力,求:
(1)C、F间的电势差UCF.
(2)小球经过最低点D点的速度大小.
正确答案
(1)等量异种电荷形成电场是中垂线两侧电场对称,中垂线上各点的场强与中垂线垂直,且中垂线是等势线,由C到F为研究过程,由动能定理得:
mgd+qUCF=
mv2
解之得:UCF=…①
(2)据等量异种电荷电场的对称性知:UCF=UFD…②
设小球到D点的速度为VD,由C到D为研究过程,动能定理得:mgd+qUCD=m
…③
联立①②③解之得:VD=v
答:(1)C、F间的电势差为;(2)小球经过最低点D点的速度大小为
v.
如图甲所示,光滑绝缘的水平面上一矩形金属线圈 abcd的质量为m、电阻为R、面积为S,ad边长度为L,其右侧是有左右边界的匀强磁场,磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度大小为B,ab边长度与有界磁场区域宽度相等,在t=0时刻线圈以初速度v0进入磁场,在t=T时刻线圈刚好全部进入磁场且速度为vl,此时对线圈施加一沿运动方向的变力F,使线圈在t=2T时刻线圈全部离开该磁场区,若上述过程中线圈的v-t图象如图乙所示,整个图象关于t=T轴对称.则0-T时间内,线圈内产生的焦耳热为______,从T-2T过程中,变力F做的功为______.
正确答案
根据能量守恒得,在0-T内产生的焦耳热Q=mv02-
mv12.
因为T-2T内的速度时间图线与0-T内速度时间图线对称,知0-T内产生的热量与T-2T内产生的热量相等.
对T-2T内这段过程运用能量守恒得,WF=△EK+Q=mv02-mv12.
故答案为:mv02-
mv12,mv02-mv12.
柴油打桩机的重锤由气缸、活塞等若干部件组成,气缸与活塞间有柴油与空气的混合物.在重锤与桩碰撞的过程中,通过压缩使混合物燃烧,产生高温高压气体,从而使桩向下运动,锤向上运动.现把柴油打桩机和打桩过程简化如下:
柴油打桩机重锤的质量为m,锤在桩帽以上高度为h处(如图1)从静止开始沿竖直轨道自由落下,打在质量为M(包括桩帽)的钢筋混凝土桩子上.同时,柴油燃烧,产生猛烈推力,锤和桩分离,这一过程的时间极短.随后,桩在泥土中向下移动一距离l.已知锤反跳后到达最高点时,锤与已停下的桩幅之间的距离也为h(如图2).已知m=1.0×103kg,M=2.0×103kg,h=2.0m,l=0.20m,重力加速度g=10m/s2,混合物的质量不计.设桩向下移动的过程中泥土对桩的作用力F是恒力,求此力的大小.
正确答案
锤自由下落,碰桩前速度v1向下,v1=-----①
碰后,已知锤上升高度为(h-l),故刚碰后向上的速度为
v2=------②
设碰后桩的速度为V,方向向下,由动量守恒,mv1=MV-mv2----------③
桩下降的过程中,根据动能定理,0-MV2=-Fl+Mgl---------④
联立①②③④各式可得
F=Mg+(
)[2h-l+2
]=2.1×105N;
泥土对桩的作用力F为2.1×105N.
把完全相同的三块木板固定叠放在一起,子弹以v0的速度垂直射向木板,刚好能打穿这三块木板,如果让子弹仍以v0的速度垂直射向其中的一块固定木板,则子弹穿过木板时的速度是多少?
正确答案
解:设子弹与木板间的作用力为F
每块木板的厚度为s
根据动能定理
可知子弹射击三块木板时
子弹射击一块木板时
由以上两式解得
(14分)为了研究过山车的原理,某兴趣小组提出了下列设想:取一个与水平方向夹角为37°、长为l = 2.0m的粗糙倾斜轨道AB,通过水平轨道BC与竖直圆轨道相连,出口为水平轨道DE,整个轨道除 AB 段以外都是光滑的。其AB 与BC 轨道以微小圆弧相接,如图所示.一个小物块以初速度=4.0m/s从某一高处水平抛出,到A点时速度方向恰好沿 AB 方向,并沿倾斜轨道滑下.已知物块与倾斜轨道的动摩擦因数 μ = 0.50.(g=10 m/s2、sin37°= 0.60、cos37° =0.80)
(1)求小物块到达A点时速度。
(2)要使小物块不离开轨道,并从轨道DE滑出,求竖直圆弧轨道的半径应该满足什么条件?
(3)为了让小物块不离开轨道,并且能够滑回倾斜轨道 AB,则竖直圆轨道的半径应该满足什么条件?
正确答案
(1)5m/s (2) R1≤0.66m.(3)R2≥1.65m.
试题分析:(1)小物块做平抛运动,经时间 t 到达A处时,令下落的高度为h,水平分速度v0,竖直速度为vy,小物块恰好沿斜面AB方向滑下,则
得vy=3 m/s,所以小物块到A点的速度为.
(2)物体落在斜面上后,受到斜面的摩擦力F f=μFN=μmgcos37°
设物块进入圆轨道到达最高点时有最小速度v1,此时物块受到的重力恰好提供向心力,令此时的半径为 R0,
则
物块从抛出到圆轨道最高点的过程中,根据动能定理有:.
联立上式,解得R0=0.66m,若物块从水平轨道DE滑出,圆弧轨道的半径满足 R1≤0.66m.
(3)为了让小物块不离开轨道,并且能够滑回倾斜轨道 AB,则物块上升的高度须小于或等于某个值R,
则
解得 R=1.65m
物块能够滑回倾斜轨道 AB,则 R2≥1.65m.
如图所示,一半径R=1m的圆盘水平放置,在其边缘 E点固定一小桶(可视为质点).在圆盘直径 DE 的正上方平行放置一水平滑道 BC,滑道右端 C点 与圆盘圆心O在同一竖直线上,且竖直高度 h=1.25m.AB为一竖直面内的光滑四分之一圆弧轨道,半径r=0.45m,且与水平滑道相切与B点.一质量m=0.2kg的滑块(可视为质点)从A点由静止释放,当滑块经过B点时,圆盘从图示位置以一定的角速度ω绕通过圆心的竖直轴匀速转动,最终物块由C 点水平抛出,恰好落入圆盘边缘的小桶内.已知滑块与滑道 BC间的摩擦因数μ=0.2.(取g=10m/s2)求
(1)滑块到达B点时对轨道的压力
(2)水平滑道 BC的长度;
(3)圆盘转动的角速度ω应满足的条件.
正确答案
(1)滑块由A点到B,由动能定理得:mgr=mvB2
解得:vB==3m/s
滑块到达B点时,由牛顿第二定律得 F-mg=m
解得:F=6N
由牛顿第三定律得滑块到达B点时对轨道的压力大小为F′=F=6N,方向竖直向下
(2)滑块离开C后做平抛运动,由h=gt2
解得:t1==0.5s
滑块经过C点的速度 vC==2m/s
滑块由B点到由C点的过程中,由动能定理得 -μmgx=mvC2-
mvB2
解得:x=1.25m
(3)滑块由B点到由C点,由运动学关系:x=t2
解得:t2=0.5s
滑块从B运动到小桶的总时间为 t=t1+t2=1s
圆盘转动的角速度ω应满足条件:t=
得ω=2nπrad/s(n=1、2、3、4┅)
答:(1)滑块到达B点时对轨道的压力是6N,方向竖直向下.
(2)水平滑道 BC的长度是1.25m;
(3)圆盘转动的角速度ω应满足的条件是ω=2nπrad/s(n=1、2、3、4┅).
如图1所示,相距为L的光滑平行金属导轨与水平面的夹角为α,导轨一部分处在垂直导轨平面的匀强磁场中,OO′为磁场边界,磁感应强度为B,导轨右端接有定值电阻R,导轨电阻忽略不计.在距OO′为L处垂直导轨放置一质量为m、电阻不计的金属杆ab.
(1)若ab杆在平行于斜面的恒力作用下由静止开始沿斜面向上运动,其速度平方一位移关系图象如图2所示,图中v1和v2为已知.则在发生3L位移的过程中,电阻R上产生的电热Q1是多少?
(2)ab杆在离开磁场前瞬间的加速度是多少?
(3)若磁感应强度B=B0+kt(k为大于0的常数),要使金属杆ab始终静止在导轨上的初始位置,试分析求出施加在ab杆的平行于斜面的外力.
正确答案
(1)物体的位移为3L,在0--L段,恒力F、重力mg及安培力F安对物体做功,安培力的功等于电阻上产生的电热Q1,
由动能定理:F L-mg L sinα+W安=mv12
而:W安=-Q1
在L--3L段,由动能定理得:
(F-mgsinα)2L=mv22-
mv12
解得:Q1=m(v22-3v12)
(2)ab杆在离开磁场前瞬间,沿轨道方向受重力分力mg sinα、安培力F安和恒力F作用.
F安=
a=
解得:a=-
(3)当磁场按B=B0+kt规律变化时,由于ab静止在导轨上的初始位置,
所以感应电动势为:E==kL2,
安培力为:F安=BIL=
由平衡条件得:F-mgsinα+F安=0
解得:F=mgsinα-
①若mgsinα≤B0时,F的方向沿斜面向下.
②若mgsinα>B0时,F的方向先沿斜面向上;
当经过t=-
时,F的方向又将变为沿斜面向下.
答:(1)在发生3L位移的过程中,电阻R上产生的电热Q1是=m(v22-3v12)
(2)ab杆在离开磁场前瞬间的加速度是-
(3)若mgsinα≤B0时,F的方向沿斜面向下,若mgsinα>
B0时,F的方向先沿斜面向上;
当经过t=-
时,F的方向又将变为沿斜面向下.
如图所示,竖直放置的光滑半圆形轨道与光滑水平面AB相切于B点,半圆形轨道的最高点为C.轻弹簧一端固定在竖直挡板上,另一端有一质量为0.1kg的小球(小球与弹簧不相连).用力将小球向左推,小球将弹簧压缩一定量时用细绳固定住.此时弹簧的弹性势能为4.05J.烧断细绳,弹簧将小球弹出.取g=10m/s2,求
(1)欲使小球能通过最高点C,则半圈形轨道的半径最大为多少?
(2)欲使小球通过最高点C后落到水平面上的水平距离最大,则半圆形轨道的半径为多大?落点至B点的最大距离为多少?
正确答案
(1)弹簧释放过程,由EP=m
…得 v1=
=9m/s
B到C的运动过程中,由机械能守恒得 m
=mg(2r)+
m
…
在C点有 mg+N=m…
由N≥0
得r≤m…
得rm==1.62m…
(2)小球做平抛运动过程,y=gt2=2r…x=v3t
由系统机械能守恒得 EP=mg(2r)+m
…
由以上得x=…
根据数学知识得:当(8.1-4r)=4r时,x有极值
即r==1.01m时
得 xm=4r=4.04m
答:
(1)欲使小球能通过最高点C,则半圈形轨道的半径最大为1.62m.
(2)欲使小球通过最高点C后落到水平面上的水平距离最大,则半圆形轨道的半径为1.01m,落点至B点的最大距离为4.04m.
一个小物块从斜面底端冲上足够长的斜面后又返回到斜面底端,已知小物块的初动能为E,它返回到斜面底端时共克服摩擦力做功为E/2,若小物块以4E的初动能冲上斜面,则返回斜面底端时的动能为_______;小物块在前后两次往返过程中所经历的时间之比是________ 。
正确答案
2E;1:2
如图所示,劲度系数为k的轻质弹簧一端固定,另一端与物块拴接,物块保持静止放在光滑水平面上。现用外力缓慢拉动物块,若外力所做的功为W,则物块移动的距离为______________。
正确答案
如图所示空间分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三个足够长的区域,各边界面相互平行,其中Ⅰ,Ⅱ区域存在匀强电场EI=1.0×104 V/m,方向垂直边界面竖直向上;EⅡ=×105 V/m,方向水平向右,Ⅲ区域磁感应强度B=5.0 T,方向垂直纸面向里,三个区域宽度分别为d1=5.0 m,d2=4.0 m,d3=
m.一质量m=1.0×10-8 kg、电荷量q=1.6×10-6C的粒子从O点由静止释放,粒子重力忽略不计.求:
(1)粒子离开区域Ⅰ时的速度大小;
(2)粒子从区域Ⅱ进入区域Ⅲ时的速度方向与边界面的夹角;
(3)粒子从O点开始到离开Ⅲ区域时所用的时间.
正确答案
(1) v1=4×103 m/s (2) θ=30° (3)6.12×10-3s
试题分析:(1)由动能定理得 =qEId1 ① (2分)
得:v1=4×103 m/s ② (1分)
(2)粒子在区域Ⅱ做类平抛运动.水平向右为y轴,竖直向上为x轴.设粒子进入区域Ⅲ时速度与边界的夹角为θ
tan θ= ③(1分)
vx=v1 vy=at ④(1分)
⑤(1分)
t= ⑥(1分)
把数值代入得θ=30°⑦(1分)
(3)粒子进入磁场时的速度v2=2v1 ⑧(1分)
粒子在磁场中运动的半径R==10m ⑨(1分)
粒子在磁场中运动所对的圆心角为120° 因此(1分)
(两式共1分)
由(2)得
(1+1=2分)
(14分)如图所示,倾角为θ的粗糙斜面的底端有一凹形小滑块,在底端竖直线上离底端高度为H处有一个小球,小球以一定的水平速度v0抛出。
(1)要使小球垂直打在斜面上,试推导小球离斜面底端的高度H与小球速度v0之间的关系。
(2)若斜面倾角θ=37°,凹形小滑块的质量m=1kg,小滑块与斜面间的动摩擦因数μ=0.25。现小滑块以某一初速度从斜面底端上滑,同时在斜面底端正上方的小球以初速度3m/s水平抛出,经过一段时间,小球恰好垂直斜面方向落入凹槽,此时,小滑块还在上滑过程中。求小滑块运动的时间和小滑块的动能变化量。(已知sin37°=0.6, cos37°=0.8, g取10m/s2)
正确答案
(1)(2)0.4s,
试题分析:(1)小球做平抛运动
(1)
(2)
小球下落的高度 (3)
小球的水平位移 (4)
小球的落点到斜面底端的竖直高度 (5)
(1)(2)(3)(4)(5)联立可得,小球抛出点到斜面底端的竖直高度
(2)小滑块运动的时间与小球的时间相同
滑块运动的位移
滑块受到的合外力
根据动能定理可得滑块的动能变化量为
如图所示,半径=1.25m的l/4光滑圆弧轨道
竖直固定,其末端
切线水平,并与水平传送带相连,已知小滑块的质量为
=0.5kg,滑块与传送带间的动摩擦因数
=0.1,传送带
长度为
=1.5m,
、
两轮半径
=0.4m,当传送带静止时,用
="4" N的水平拉力将滑块从
端由静止开始向左拉动。
取10m/s2。
(1)若滑块到达端时撤去拉力
,求:滑块沿弧形槽上升的最大高度;
(2)问题(1)中的滑块,从高点沿弧形槽再滑回端时,轨道对滑块的支持力多大?
(3)若拉力作用一段距离后撤去,滑块到达光滑曲面某一高度而下滑时,以
、
两轮以角速度
=15rad/s顺时针转动,为使滑块能在
轮最高点
离开传送带飞出,则拉力
作用的最短距离需多大?
正确答案
(1)h=1.05m(2)(3)
试题分析:(1)根据动能定理有
即:,代入数值解得h="1.05m"
(2)从高点滑回B点过程中,根据机械能守恒定律有
在B点有,
解以上两式得
(3)根据题意,滑块要从b轮最高点C离开传送带飞出,则滑块运动至C点的速度最小为,即
由于传送带的速度v带=rω=6m/s,滑块在B点的速度,要使滑块从C点以
飞出,可分析,滑块在传送带上从B到C做匀加速运动。根据牛顿第二定律,可得加速度
为了使滑块运动到C点时速度大于2m/s,则B点的速度最小为:,代入数据可得
设拉力F作用的最短距离为x,则根据动能定理
代入数据可以求得
点评:本题主要考察了动能定理及运动学基本公式的应用,要求同学们能正确分析物体的运动情况.
(16分)如图所示,A、B、C质量分别为mA=0.7kg,mB=0.2kg,mC=0.1kg,B为套在细绳上的圆环,A与水平桌面的动摩擦因数μ=0.2,另一圆环D固定在桌边,离地面高h2=0.3m,当B、C从静止下降h1=0.3m,C穿环而过,B被D挡住,不计绳子质量和滑轮的摩擦,取g=10m/s2,若开始时A离桌面足够远.
(1)请判断C能否落到地面.
(2)A在桌面上滑行的距离是多少?
正确答案
(1)C能落至地面 (2)0.765m
试题分析:(1)设B、C一起下降h1时,A、B、C的共同速度为v,B被挡住后,C再下落h后,A、C两者均静止,分别对A、B、C一起运动h1和A、C一起再下降h应用动能定理得,
①
②
联立①②并代入已知数据解得,h=0.96m,
显然h>h2,因的B被挡后C能落至地面.
(2)设C落至地面时,对A、C应用能定理得,
③
对A应用动能定理得,④
联立③④并代入数据解得, s=0.165m
所以A滑行的距离为=(0.3+0.3+0.165)="0.765m"
科技馆中,有一个模拟万有引力的装置。在如图1所示的类似锥形漏斗固定的容器中,有两个小球在该容器表面上绕漏斗中心轴做水平圆周运动,其运行能形象地模拟了太阳系中星球围绕太阳的运行。图2为示意图,图3为其模拟的太阳系运行图。图2中离中心轴的距离相当于行星离太阳的距离。
(1)在图3中,设行星A1和B1离太阳距离分别为r1和r2,求A1和B1运行速度大小之比。
(2)在图2中,若质量为m的A球速度大小为v,在距离中心轴为x1的轨道面上旋转,由于受到微小的摩擦阻力,A球绕轴旋转同时缓慢落向漏斗中心。当其运动到距离中心轴为x2的轨道面时,两轨道面之间的高度差为H。求此过程中A球克服摩擦阻力所做的功。
正确答案
(1)(2)
试题分析:(1)设A1和B2的质量分别为m1和m2,
根据万有引力定律和牛顿运动定律: ①
②)3分
由①②得 ③1分
(2)设小球距离中心轴x2的轨道面速度为v′,由于小球模拟行星运动,则有: ④1分
由动能定理: ⑤,2分 解得:
⑥1分
点评:解决本题的关键掌握万有引力公式,以及会通过动能定理求解复杂过程中功能的变化.
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