- 机械能守恒定律
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(1)如图1,固定于竖直面内的粗糙斜杆,在水平方向夹角为30°,质量为m的小球套在杆上,在大小不变的拉力作用下,小球沿杆由底端匀速运动到顶端,为使拉力做功最小,拉力F与杆的夹角α=______,拉力大小F=______.
(2)如图2所示,物体A、B、C放在光滑水平面上用细线a b连接,力F作用在A上,使三物体在水平面上运动,若在B上放一小物体D,D随B一起运动,且原来的拉力F保持不变,那么加上物体D后两绳中拉力的变化是Ta______,Tb______.(回答变大、变小或不变)
(3)如图3所示,在场强大小为E的匀强电场中,一根长为L的不可伸长的绝缘细线一端拴一个质量为m电荷量为q的带负电小球,另一端固定在O点.把小球拉到使细线水平的位置A,然后将小球由静止释放,小球沿弧线运动到细线与水平成θ=60°的位置B时速度为零,则电场强度E=______;运动过程中的最大动能EKm=______.
正确答案
(1)当摩擦力做功为零时,拉力做功最小.将力F按沿杆和垂直于杆进行受力分解,得
mgsin30°=Fcosα①
mgcos30°=Fsinα②
由①②联立解得:F=mg,α=60°
(2)加上物体D后,根据牛顿第二定律分析可知,整体的加速度a减小.
以C为研究对象得 Tb=mba,a减小,mb不变,Tb变小
以A为研究对象得 F-Ta=maa,a减小,F,ma不变,Ta变大.
(3)根据动能定理得
A到B过程:mgLsinθ-qEL(1-cosθ)=0
代入解得 E=
当重力与电场力的合力沿绳子方向时,动能最大.设此时绳子与水平方向的夹角为α,则
tanα==
,α=30°
再由动能定理得
mgLsinα-qEL(1-cosα)=Ekm解得,运动过程中小球的最大动能EKm=(2-)mgL
故答案为:
(1)60°,mg
(2)变大,变小
(3),(2-
)mgL
如图所示,一封闭的薄壁箱子长25cm、质量为4kg,放在水平地面上,箱子与地面间的摩擦系数为0.2,箱内有一个边长5cm、质量1kg的方木块紧靠箱子的前壁放置,箱子内壁与方木块之间无摩擦,当水平推力F=12N刚作用于箱子的后壁时,箱子的加速度为______m/s2;如果要使木块与箱壁发生相碰,则水平推力至少做功______焦耳.
正确答案
根据牛顿第二定律得:
a==
=0.5m/s2
只要木箱能运动,木块与木箱肯定发生碰撞,所以F最小为μ(M+m)g=10N
则W=Fs=10×(0.25-0.05)=2J
故答案为:0.5、2
额定功率为80kW的汽车,在平直公路上行驶的最大速度是20m/s.汽车的质量为2t,如果汽车从静止开始做匀加速直线运动,加速度的大小是2m/s2,运动过程中阻力不变.求:
(1)汽车维持匀加速运动的时间是多少?
(2)5s内汽车阻力所做的功?
正确答案
(1)当汽车速度达到最大时,牵引力大小等于阻力大小,
所以P=F阻vm,即F阻==4×103 N
当汽车的功率刚达到额定功率时,汽车匀加速结束,设此时的速度大小为v,
此过程中:牵引力 F=ma+F阻=8×103N
由P=Fv 得:v=10m/s
由v=at 得:t=5s
(2)由(1)的分析可知:汽车在5s内一直做匀加速运动,
其位移由:s=at2=25m
故阻力所做的功:W阻=-F阻s=-1×105J
答:(1)汽车维持匀加速运动的时间是5s;
(2)5s内汽车阻力所做的功是-1×105J.
如图所示,一个质量m=2kg的物体,受到与水平方向成37°角斜向上方的拉力F=20N,物体与地面间的动摩擦因数为μ=0.5,(已知sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2)
求:(1)拉力F在2s内对物体所做的功;
(2)2s末拉力对物体做功的功率.
正确答案
对物体进行受力分析,根据牛顿第二定律得:
a==6m/s2
所以2s内的位移为:x=at2=12m
所以拉力F在2s内对物体所做的功W=Fxcos37°=192J
(2)2s末的速度为为:v=at=12m/s
所以2s末拉力对物体做功的功率为:P=Fvcosθ=192W
答::(1)拉力F在2s内对物体所做的功为192J;
(2)2s末拉力对物体做功的功率为192W.
如图所示,在水平地面上平铺n块砖,每块砖的质量为m,厚度为h,如将砖一块一块地叠放 起来,至少需要做多少功?
正确答案
解:取n块砖的整体为研究对象,
叠放起来后整体的重心距地面,
原来的重心距地面,
故有
汽车在平直公路上以18m/s的速度匀速行驶,发动机输出功率为7.2×104 W,则汽车所受的阻力等于 N。如果保持输出功率和阻力不变,当汽车速度为15m/s时,汽车做 运动(选填“加速”、“减速”或“匀速”)。
正确答案
4×103 加速
试题分析:当汽车匀速运动时牵引力等于阻力,由公式,所以阻力f=F=4×103N,如果保持输出功率和阻力不变,当汽车速度为15m/s时,牵引力为
,F>f,所以汽车做的是加速运动
点评:明确机车启动问题中牵引力等于阻力时功率最大,速度最大,注意此类问题经常和牛顿第二定律结合着来考察
一人坐在雪橇上,从静止开始沿着高度为15m的斜坡滑下,到达底部时速度为10m/s.人和雪橇的总质量为60kg,求下滑过程中克服阻力做的功(g取10m/s2).
正确答案
根据W总=m
-
m
,可得
Wf+mg•h=m
-0
解之得:Wf=-6000J
所以下滑过程中克服阻力做的功6000J.
答:人坐在雪橇上,在下滑过程中克服阻力做的功6000J.
如图所示,传送带与地面倾角θ=30°,AB长度为L=16.5m,传送带以v0=11m/s的速率逆时针转动.在传递带上端A无初速度地放上一个质量为m=0.5kg的物体,它与传送带之间的动摩擦因数为μ=,取g=10m/s2,则:
(1)从物体开始运动至物体刚与传送带达到共同速度这一过程中,传送带的摩擦力对物体做了多少功?
(2)物体从与传送带达到共同速度的瞬间至滑到B端的过程中,传送带的摩擦力对物体又做了多少功?
正确答案
(1)物体放上传送带后,受到传送带的沿斜面向下的滑动摩擦力f1,以a1做匀加速直线运动,直至与传送带速度相等.设这一过程所需的时间为t1,物体下滑的位移为s1,则:
由牛顿第二定律,有:
mgsinθ+μmgcosθ=ma1①
由运动学公式,有:
s1=a1
②
v0=a1t1③
代入数据,解得:
a1=11m/s2,t1=1s,s1=5.5m
滑动摩擦力对物体做正功:
W1=μmgcosθ•s1=16.5J
(2)物体与传送带达到共同速度后,因为mgsinθ<μmgcosθ,物体将与传送带保持相对静止,以v0匀速下滑,设再经t2时间物体滑至B端,故由A到B的时间摩擦力对物体做负功:
W2=-mgsinθ•(L-s1)=-27.5J
答:(1)从物体开始运动至物体刚与传送带达到共同速度的过程中,传送带的摩擦力对物体做了16.5J的功;
(2)物体从与传送带达到共同速度的瞬间至滑到B端的过程中,传送带的摩擦力对物体又做了-27.5J的功.
用F=10N的拉力在水平地面上拉物体由静止开始向右运动s=2m,如图所示.已知拉力和水平方向夹角是37°,物体与地面间的滑动摩擦因数μ=0.5,质量m=2kg,g取10m/s2,sin37°=0.60,cos37°=0.80.求:
(1)力F对物体所做的功;
(2)摩擦力对物体所做的功;
(3)物体的末速度大小.
正确答案
(1)根据恒力做功公式W=Fxcosθ得:
WF=10×2×0.8=16J,
(2)在竖直方向有:N+Fsinθ=mg
又有:f=μN
解得:f=7N
则摩擦力做功为:Wf=-fs=-7×2=-14J,
(3)整个过程中,根据动能定理得:
mv2=WF+Wf
即×2v2=16-14
解得:v=m/s
答:(1)力F对物体所做的功为16J;
(2)摩擦力对物体所做的功为-14J;
(3)物体的末速度大小为m/s.
在粗糙水平面上的A点处,放置一质量为M、边长为a的立方体形的大木箱子,现在将该箱子从A点移到远处的B点,两点之间的距离为S(S>>a),关于在这一过程中外力所做的功,
甲同学认为:用水平恒力将木箱子缓慢地从A点推到B点时外力做的功,一定要比木箱子从A点翻滚到B点时外力做的功少.(不计翻箱子过程中外力做的负功)
乙同学认为:用水平恒力将木箱子缓慢地从A点推到B点时外力做的功,一定要比木箱子从A点翻滚到B点时外力做的功多.(不计翻箱子过程中外力做的负功)
丙同学认为:用水平恒力将木箱子缓慢地从A点推到B点时外力做的功,一定和先在外力作用下由静止开始加速运动,在中途适当的地方撤去外力,再让箱子自行滑到B点停下做功一样多.
对以上三位同学的论述是否正确?如果不正确,给出你的观点,要求有详细的推理、说明.
正确答案
甲、乙两位同学的判断不正确,丙同学的判断正确.
用水平恒力将木箱匀速地从A点推到B点时外力做的功:W1=μmgS=μmg(na);
木箱子从A点翻滚到B点时外力做的功为:W2=mg[(na)];
当μ>时,翻滚木箱前进更合理,做功较少;
当μ<时,推动木箱前进更合理,做功较少;
答:甲、乙两位同学的判断不正确,丙同学的判断正确;当μ>时,翻滚木箱前进更合理,做功较少;当μ<
时,推动木箱前进更合理,做功较少;
倾角为θ=37。o的斜面上有一个质量为m=1kg的物体,现使斜面在水平方向上以速度v=1m/s向左做匀速直线运动,已知物体与斜面始终保持相对静止,如图所示,试求:
(1)物体通过位移5m的过程中,斜面的支持力和摩擦力Ff对物体所做的功.
(2)摩擦力的功率.
正确答案
(1)FN = 8N (2)-24J
(1)由平衡条件可得:
(2)由p=FVcosa可得:
FN = mgcosθ
摩擦力的功率为:
f = mgsinθ
p = 4.8w
带入数据得:FN = 8N
f = 6N
再由w="FScosa" 易得:
W FN = 24J Wf =" -24J"
如图是建筑工地上常用的一种“深穴打夯机”示意图,电动机带动两个滚轮匀速转动将夯杆从深坑提上来,当夯杆底端刚到达坑口时,两个滚轮彼此分开,将夯杆释放,夯杆在自身重力作用下,落回深坑,夯实坑底。然后两个滚轮再次压紧,夯杆被提上来,如此周而复始(夯杆被滚轮提升过程中,分别经历匀加速和匀速运动过程)。已知两个滚轮边缘的线速度恒为v=4m/s,滚轮对夯杆的正压力FN=2×104N,滚轮与夯杆间的动摩擦因数μ=0.3,夯杆质量m=1×103kg,坑深h=6.4m,假定在打夯的过程中坑的深度变化不大,g取10m/s2。求:
(1)夯杆被滚轮带动匀加速上升过程所需的时间;
(2)每个打夯周期中,电动机需消耗的能量。
正确答案
(1)2s (2)1.2×105J
(1)夯杆加速上升阶段:
加速度 ①---------4分
a = 2 m / s2 ②---------------2分
则夯杆匀加速上升的时间 ③-------2分
(2)夯杆加速上升的高度 ④-------2分
在加速上升阶段,电动机对夯杆做的功 W1=2μFN h1= 4.8×104 J ⑤-------2分
夯杆匀速上升阶段上升高度 h2= h-h1= 2.4 m
电动机对夯杆做的功 W2= mgh2= 2.4×104J ⑥-------2分
夯杆加速上升阶段,电动机滚轮与夯杆间摩擦生热Q=2μFN h1= 4.8×104 J-⑦------2分
每个打夯周期中,电动机需消耗的能量E = W1+ W2+Q= 1.2×105J ⑧-------2分
〔或每个打夯周期中,电动机需消耗的能量E ==2μFNVt1+mg Vt2=1.2×105J 〕
如图所示,质量的物体在水平面上做直线运动,物体对地面的压力
N;物体受到的滑动摩擦力
,物体与地面之间的动摩擦因数
;若物体运动距离
,次过程摩擦力做功
J。
正确答案
10N , 0.2 , -1J (说明:不要求正负号,答“1”也得2分)
试题分析:由摩擦力公式可求得正压力和摩擦因数,克服摩擦力做功为W=fs=1J
点评:本题难度较小,在水平地面重力与压力相等,熟记滑动摩擦力的计算公式
某人要把边长为l=80cm、质量均匀分布、重为G=600N的立方体搬运到高为1.44m的载重卡车上去,他靠车边固定一块硬板,板与水平地面成37°角,现重物停放在斜板旁边,如图所示。他采用翻滚的办法,即先使重物以图中过d点的边为轴顺时针转90°角,然后再依次翻转,直至转到车上。已知重物在板上没有滑动,在这整个过程中他至少要做多少功?
正确答案
9.8×102 J
木板的长度L=h/sin37°=2.4m,等于3个立方体的边长。立方体要从地面到车上,须翻4次。
第一次从地面翻到斜面上,如图(1)图所示,需要把重心升高
h1=()l=0.21l,
后三次如(2)图所示,都需要把重心升高
h2=[]l =0.61l。
人至少需要做功W=G·h1+3G·h2=9.8×102 J。
如图8-3所示,用恒力F通过光滑的定滑轮,将静止于水平面上的物体从位置A拉到位置B,物体可视为质点,定滑轮距水平面高为h,物体在位置A、B时,细绳与水平面的夹角分别为α和β,求绳的拉力F对物体做的功.
正确答案
设物体在位置A时,滑轮左侧绳长为l1,当物体被绳拉至位置B时,绳长变为l2,因此物体由A到B,绳长的变化量
又因T=F,则绳的拉力T对物体做的功
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