- 机械能守恒定律
- 共29368题
一木块静止在水平面上,质量m=2kg,与水平面间的动摩擦因数为0.2,受到按如图所示规律变化的水平拉力作用(g=10m/s2)求:
(1)2秒末木块的速度;
(2)4秒内木块运动的位移;
(3)8秒内摩擦力所做的功.
正确答案
(1)对木块受力分析,由牛顿第二定律有:
F-Ff=ma
解得:a=
故2秒末木块的速度为:v=at=•t=4m/s
(2)前2秒内物体的位移为:s1=•t=
×2=4m
木块在第2个2秒内仅在摩擦力作用下做匀减速运动,a=μg=2m/s;
由对称性知,第2个2秒内位移与第1个2秒内位移相等,所以4秒内木块总位移:
S=s1+s2=4+4=8m
(3)通过画v-t图象知,第2个4秒内位移与第1个4秒内位移相等,所以8秒内总位移是s=16m,8秒内始终有摩擦力作用在木块上,方向与运动方向相反,且大小不变为2N,故8秒内摩擦力做功为:
Wf=-Ffs,=-2×16=-32J
答:(1)2秒末木块的速度为4m/s;
(2)4秒内木块运动的位移为8m;
(3)8秒内摩擦力所做的功为-32J.
质量为2kg的物体从足够高处由静止开始下落,不计空气阻力(g=10m/s2),求:
(1)3s内重力对物体所做的功;
(2)重力在3s末的瞬时功率.
正确答案
(1)3s内的位移h=gt2=
×10×9=45m
3s内重力对物体所做的功W=mgh=900J
(2)3s末的速度v=gt=10×3m/s=30m/s.则2s末重力的瞬时功率P=mgv=2×10×30W=600W.
答:(1)3s内重力对物体所做的功为900J;
(2)重力在3s末的瞬时功率为600W.
如图所示,质量为M的铁箱内装有质量为m的货物.以某一初速度向上竖直抛出,上升的最大高度为H,下落过程的加速度大小为a,重力加速度为g,铁箱运动过程受到的空气阻力大小不变.求:
(1)铁箱下落过程经历的时间;
(2)铁箱和货物在落地前的运动过程中克服空气阻力做的功;
(3)上升过程货物受到铁箱的作用力.
正确答案
解:
(1)设铁箱下落经历时间为t,则得
;
(2)设铁箱运动过程中受到的空气阻力大小为f,克服空气阻力做的功为W,则
,
解得 ,
(3)设上升过程的加速度大小为a′,货物受到铁箱的作用力大小为F,则
,
解得作用力方向竖直向下。
如图所示,在距水平地面高为0.4m处,水平固定一根长直光滑杆,在杆上P点固定一定滑轮,滑轮可绕水平轴无摩擦转动,在P点的右边,杆上套有一质量m=2kg小球A。半径R=0.3m的光滑半圆形细轨道,竖直地固定在地面上,其圆心O在P点的正下方,在轨道上套有一质量也为m=2kg的小球B。用一条不可伸长的柔软细绳,通过定滑轮将两小球连接起来。杆和半圆形轨道在同一竖直面内,两小球均可看作质点,且不计滑轮大小的影响,g取10m/s2。现给小球A一个水平向右的恒力F=55N。求:
(1)把小球B从地面拉到P点正下方C点过程中,力F做的功;
(2)小球B运动到C处时的速度大小;
(3)小球B被拉到离地多高时与小球A速度大小相等。
正确答案
解:(1)小球B运动到P点正下方过程中的位移为m
得:WF=FxA=22J
(2)由动能定理得
代入数据得:v=4m/s
(3)当绳与圆环相切时两球的速度相等
=0.225m
如图所示,水平传送带以速度v=6 m/s顺时针运转,两传动轮M、N之间的距离为L= 10 m.若在M轮的正上方将一质量为m =3kg的物体轻放在传送带上,已知物体与传送带之间的动摩擦因数μ=0.3,在物体由M处传送到N处的过程中,传送带对物体的摩擦力做了多少功?(g取10 m/s2)
正确答案
解:物体放在M处时初速度为零,与传送带之间有相对滑动,物体在水平向右的滑动摩擦力Ff作用下做匀加速运动,根据牛顿第二定律,物体运动的加速度为
0.3×10m/s2=3m/s2.
设一段时间后物体的速度增大到v=6 m/s,此后物体与传送带速度相同,二者之间不再相对滑动,滑动摩擦力随之消失,可见滑动摩擦力的作用时间为:
在这2s内物体水平向右运动的位移为
滑动摩擦力对物体所做的功为 W=Ffs=μmgs =0.3×3×10×6 J =54 J.
质量为M的长木板放在光滑的水平面上,一个质量为m的滑块以某一速度沿木板表面从A点滑至B 点,在木板上前进了L,而木板前进了l,如图所示.若滑块与木板间的动摩擦因数为μ,求摩擦力对滑块、对木板做功各为多少?
正确答案
解:
对滑块和木板进行受力分析,可知摩擦力对滑块做负功,对木板做正功.滑块相对于地面的位移为l1=l+L,摩擦力对滑块做的功为W1=-μmgl1=-μmg(l+L).
摩擦力对木板做的功为W2 =μmgl。
在2014年索契冬奥会跳台滑雪男子个人大跳台决赛中,波兰选手施托赫夺得冠军。跳台滑雪过程可简化如下。如图所示,abcde为同一竖直平面内的滑道,其中ab段和de段的倾角均为q=37°,ab段长L1 =110m,bc段水平其长度L2=27m(图中未标出),cd段竖直,其高度H=20m,de段足够长。设滑板与滑道之间的摩擦力为它们间压力的k倍(k=0.4,不考虑转弯b处的摩擦),运动员连同滑板的总质量m = 60kg。运动员从a点由静止开始下滑至c点水平飞出,在de上着地,再沿斜面方向下滑到安全区。运动员连同滑板整体可视为质点,忽略空气阻力,g取l0 m/s2,sin37=0.6,cos37=0.8。求:
(1)运动员从c点水平飞出时的速度大小v0;
(2)运动员在de着地时,沿斜面方向的速度大小v;
正确答案
:(1) 20m/s (2)40m/s
试题分析:(1)运动员从a点到c点的过程中重力做功为,克服摩擦力做功为
,根据动能定理得:
由以上各式并代入数据,解得
(2)运动员从c点水平飞出到落到de轨道上的过程中做平抛运动,设从c点到着陆点经过的时间为t,则:
水平位移 竖直位移
水平方向分速度 竖直方向分速度
由几何关系得:
沿斜面方向和垂直斜面方向建立直角坐标系,将、
进行正交分解,于是可得:
联立以上各式并代入数据,解得
质量为10kg的物体放在水平地面上,物体与地面间的动摩擦因数为0.2.如果用大小为50N、方向与水平成37°角斜向上拉动物体运动10m的距离.求:
(1)在这个过程中拉力对物体所做的功;
(2)物体运动到10m位置时具有的动能.(g取10m/s2;sin37°=0.6;cos37°=0.8)
正确答案
(1)拉力F做功为W=Fscosθ=50×10×0.8=400J
(2)根据受力分析得出f=μ(mg-Fsin37°)=14N
由动能定理得 Ek2=Fscos37°-fs=260J.
答:(1)在这个过程中拉力对物体所做的功为400J;
(2)物体运动到10m位置时具有的动能为260J.
质量为1 kg的物块静止在水平面上,从某时刻开始对它施加大小为3 N的水平推力,4 s内物体的位移为16 m,此时将推力突然反向但保持大小不变。求:
(1)再经2 s物体的速度多大?
(2)在前6 s内推力对物体所做的总功为多少?
正确答案
解:(1)根据运动学公式 得
根据牛顿第二定律有:
解得:f=1N
当推力反向时 得
4秒末物体速度
推力反向后速度减为零历时
所以再经2s物体速度为零
(2)根据动能定理得:
而
所以:
或为:
如图所示,放在水平面上的小车上表面水平,AB是半径为R的光滑圆弧轨道,下端B的切线水平且与平板车上表面平齐,车的质量为m0。现有一质量为m的小滑块,从轨道上端A处无初速释放,滑到B端后,再滑到平板车上。若车固定不动,小滑块恰不能从车上掉下。(重力加速度为g):
(1)求滑块到达B端之前瞬间所受支持力的大小;
(2)求滑块在车上滑动的过程中,克服摩擦力所做的功;
(3)若车不固定,且地面光滑,把滑块从A点正上方的P点无初速释放,P点到A点的高度为h,滑块从A点进入轨道,最后恰停在车的中点。求车的最大速度。
正确答案
解:(1)根据机械能守恒定律有:
根据牛顿第二定律有:
联立两式,得轨道对滑块的支持力:
(2)滑块在车上滑动过程中,克服摩擦力做的功
(3)设滑块到B点速度为v2,有
滑块最后恰停在车的中点时,滑块与车速相同,车速最大,设为v3,有
解得:
有一质量m=1000kg的混合动力轿车,在平直公路上以v1=90km/h匀速行驶,发动机的输出功率为P=50kw.当驾驶员看到前方有80km/h的限速标志时,保持发动机功率不变,立即启动利用电磁阻尼带动的发电机工作给电池充电,使轿车做减速运动,运动L=72m后,速度变为v2=72km/h.此过程中发动机功率的五分之一用于轿车的牵引,五分之四用于供给发电机工作,发动机输送给发电机的能量最后有50%转化为电池的电能.假设轿车在上述运动过程中所受阻力保持不变.求
(1)轿车以90km/h在平直公路上匀速行驶时,所受阻力F阻的大小;
(2)轿车从90km/h减速到72km/h过程中,获得的电能E电;
(3)轿车仅用其在上述减速过程中获得的电能E电维持72km/h匀速运动的距离L'.
正确答案
(1)由瞬时功率公式有:P=F牵v.
当汽车匀速运动时,由共点力平衡条件有:
F牵-F阻=0.
代入数据解得:F牵=F阻=2000N;
(2)对汽车的减速运动过程,运用动能定理有:
Pt-F阻L=
mV22-
mV12.
代入数据解得:Pt=1.575×105J.
电源获得的电能为:
E电=0.5×Pt=6.3×104J.
(3)依题意,汽车在平直公路上匀速行驶时受到的阻力仍为F阻=2000N.
对这一过程运用能量守恒定律有:
E电=FL′=F阻L′.
代入数据解得:L′=31.5m
答:(1)轿车以90km/h在平直公路上匀速行驶时,所受阻力F阻的大小是2000N;
(2)轿车从90km/h减速到72km/h过程中,获得的电能E电是6.3×104J;
(3)轿车仅用其在上述减速过程中获得的电能E电维持72km/h匀速运动的距离L'是31.5m.
有一位同学用测力计挂住弹簧的一端,弹簧的另一端已固定,他把拉伸弹簧的全过程AB分成6个等距离的小段,如图所示。他每拉过一小段距离便读一次测力计的示数,六次读数分别为、
、
、
、
、
,AB的总长度为
,则该同学计算整个过程拉力做的功
。你认为这位同学计算的结果是偏大还是偏小?为什么?
正确答案
解:偏大。在计算每一段距离拉力做的功时,所用拉力实际为变力,而计算式中选用的是某段过程中拉力的最大值,故结果偏大。
一个放在水平面上的物体质量为2.0kg,在沿水平方向的拉力作用下运动,其运动速度随时间变化的图象如图所示。已知地面与物体之间的动摩擦因数为0.2,则在0~4.0s的时间内,拉力对物体所做的功为多少焦?在第4s末拉力对物体做功的瞬时功率为多少瓦?(g取10m/s2)
正确答案
48J,24W
如图所示,绷紧的传送带始终保持着大小为v=4m/s的速度水平匀速运动。一质量m=1kg的小物块无初速地放到皮带A处,物块与皮带间的动摩擦因数μ=0.2,A、B之间距离s=6m。求物块从A运动到B的过程中摩擦力对物块做了多少功?(g=10m/s2)
正确答案
8J
(18分)
风能是一种环保型的可再生能源。据勘测,我国利用风力资源至少有2.53×105MW,所以风能是很有开发前途的能源。风力发电是将风的动能通过风力发电机转化为电能的过程。某风力发电机将伞气的动能转化为电能的效率=20%,空气密度
,其有效受风面积S=20m2。此风力发电机输出U=250V稳定的直流电压,用它给如图11所示的皮带传送装置的电动机(电动机未画出)供电,输电线电阻不计。已知皮带传送装置的电动机的额定电压U额=250V,允许消耗电功率的最大值P电m=500W,线圈电阻R=5.0Ω,在该电动机消耗电功率达到最大值的情况下,电动机及皮带传送装置各部分由于摩擦而损耗的功率与皮带传送装置输出的机械功率之比为1:5。重力加速度g取10m/s2.
(1)求此风力发电机在风速=10m/s时输出的电功率;
(2)求皮带传送装置的电动机消耗电功率达到最大值时,皮带传送装置输出的机械功率;
(3)已知传送带两端A、B之间距离s=10m,高度差h=4.0m。现将一货箱(可视为质点)无初速地放到传送带上A处,经t=1.0s后货箱与传送带保持相对静止,当货箱被运送至B处离开传送带时再将另一个相同的货箱以相同的方式放到A处,如此反复,总保持传送带上有一个(也只有一个)货箱。,在运送货箱的过程中,传送带的运行速度始终保持不变。若要保证皮带传送装置的电动机所消耗电功率始终不超过P电m=500W,货箱的质量应满足怎样的条件。
正确答案
(1)2.6 ×103W
(2)400W
(3)货箱质量不得大于80kg
(1)1s内吹到风力发电机有效面积上空气的体积V=Sv1……………………………2分
这些空气所具有的动能Ek=ρVv12………………………………………………………2分
风力发电机输出的电功率 P===2.6 ×103W………………………………2分
(2)设带动传送带的电动机消耗电功率最大时通过它的电流为I,此时电动机输出功率为P输出,皮带传送装置输出的机械功率为P机械。
则I==2.0A…………………………………………………2分
P输出=P电m-I2R=480W……………………………2分
根据题意可知P机械=P输出=400W……………………………2分
(3)设货箱在恒力作用下做匀加速直线运动的位移为sx,上升的高度为hx。
根据匀加速运动公式有sx=v2t=0.50m,
根据几何关系解得hx=0.20m………………1分
货箱在传送带上加速运动时,带动传送带运行的电动机需要消耗较大的电功率,所以在货箱加速过程中电动机如果不超过其允许消耗的最大功率,匀速运行过程中就不会超过其允许消耗的最大电功率。………………1分
设货箱质量为m,货箱被加速的过程中其机械能增加量为E,由于货箱与传送带的摩擦产生的热量为Q。E=Ep+Ek=mghx+mv22……………………………………1分
设货箱与传送带之间的摩擦力为f,对于货箱在传送带上被加速的过程,根据动能定理有 fsx-mghx=mv22。
在货箱加速运动过程中,传送带的位移s带=v2t=1.0m,所以货箱与传送带之间的相对位移Δs=s带-sx=0.50m,根据功能关系Q=f·Δs
联立解得Q=Δs………………………………1分
为使电动机工作过程中不超过允许的最大值,应有Ep+Ek+Q小于等于P机械t,即
mghx+mv22+Δs≤P机械t………………………………………………1分
解得≤80kg,即货箱质量不得大于80kg…………………1分
扫码查看完整答案与解析