- 机械能守恒定律
- 共29368题
某人用手将质量为m的物体由静止开始向上提升h高度,并使物体获得v的速度,求:
(1)物体动能的增加量
(2)手对物体做的功
(3)物体和地球所组成的系统的机械能的增加量.
正确答案
解:(1)物体动能的增加量为:△E=mv2-0=
mv2
(2)由动能定理可得:W-mgh=mv2
解得手对物体所做的功W=mgh+mv2;
(3)重力之外的其他力做功等于机械能的增加量;
故△E=W=mgh+mv2;
答:(1)物体动能的增加量为mv2
(2)手对物体做的功mgh+mv2;
(3)物体和地球所组成的系统的机械能的增加量为mgh+mv2.
解析
解:(1)物体动能的增加量为:△E=mv2-0=
mv2
(2)由动能定理可得:W-mgh=mv2
解得手对物体所做的功W=mgh+mv2;
(3)重力之外的其他力做功等于机械能的增加量;
故△E=W=mgh+mv2;
答:(1)物体动能的增加量为mv2
(2)手对物体做的功mgh+mv2;
(3)物体和地球所组成的系统的机械能的增加量为mgh+mv2.
如图所示,遥控电动赛车(可视为质点)从A点由静止出发,经过时间t后关闭电动机,赛车继续前进至B点后进入固定在竖直平面内的圆形光滑轨道,通过轨道最高点P后又进入水平轨道CD上,已知赛车在水平轨道AB部分和CD部分运动时受到阻力恒为车重的0.5倍,即k==0.5,赛车的质量m=0.4kg,通电后赛车的电动机以额定功率P=2W工作,轨道AB的长度L=2m,圆形轨道的半径R=0.5,空气阻力可忽略,取重力加速度g=10m/s2.某次比赛,要求赛车在运动过程中既不能脱离轨
道,又在CD轨道上运动的路程最短(即小车恰好通过最高点P).在此条件下,求:
(1)赛车通过最高点P时的速度大小;
(2)赛车在CD轨道上运动的最短路程;
(3)赛车电动机工作的时间.
正确答案
解:(1)要使小车恰好通过最高点,根据mg=
得:m/s=
m/s.
(2)根据动能定理得:
代入数据解得:xCD=2.5m.
(3)对A到P段运用动能定理得:
Pt-
代入数据解得:t=4.5s.
答:(1)赛车通过最高点P时的速度为m/s;
(2)赛车在CD轨道上运动的最短路程为2.5m;
(3)赛车电动机工作的时间为4.5s.
解析
解:(1)要使小车恰好通过最高点,根据mg=
得:m/s=
m/s.
(2)根据动能定理得:
代入数据解得:xCD=2.5m.
(3)对A到P段运用动能定理得:
Pt-
代入数据解得:t=4.5s.
答:(1)赛车通过最高点P时的速度为m/s;
(2)赛车在CD轨道上运动的最短路程为2.5m;
(3)赛车电动机工作的时间为4.5s.
如图所示,光滑轨道ABCD是过山车轨道的模型,最低点B处的入、出口靠近但相互错开,C是半径为R的圆形轨道的最高点,BD部分水平,末端D点与右端足够长的水平粗糙传送带无缝连接,传送带以恒定速度v逆时针转动,现将一质量为m的小滑块从轨道AB上某一固定位置A由静止释放,滑块能通过C点后再经D点滑上传送带,则( )
正确答案
解析
解:A、C点的最小速度,根据动能定理得,mg(h-2R)=
,解得h=
,可知A到B点的最小高度为
,故A错误.
B、由于物块滑上传送带的速度方向与传送带的速度方向相反,在滑块速度减为零前一直做匀减速直线运动,则向右滑动的最大距离与传送带速度v无关,故B错误.
C、若滑块滑上传送带后速度减为零未到达另一端,则会返回D点,又重新回到出发点A,故C正确.
D、传送带速度不同,物块在传送带上发生的相对路程不同,摩擦产生的热量不同,故D错误.
故选:C.
如图所示,已知绳长l,水平杆长L,小球的质量m,整个装置可绕竖直轴转动,当该装置从静止开始转动,最后以某一角速度稳定转动时,绳子与竖直方向成角θ.
(1)试求该装置转动的角速度;
(2)此时绳的张力;
(3)整个过程中,此装置对小球做的功.
正确答案
解:(1)小球最后作匀速圆周运动,拉力与重力的合力提供向心力,
则有:F向=mgtanθ=mω2(L+lsinθ),
所以:ω=
(2)对小球受力分析,重力与绳子的拉力,因此合力的方向在运动平面内,
根据力的合成与分解,则有此时绳的拉力:T=
(3)整个过程中,由动能定理:W==
+mg(l-lcosθ)
答:(1)试求该装置转动的角速度为;
(2)此时绳的张力为;
(3)整个过程中,此装置对小球做的功为+mg(l-lcosθ).
解析
解:(1)小球最后作匀速圆周运动,拉力与重力的合力提供向心力,
则有:F向=mgtanθ=mω2(L+lsinθ),
所以:ω=
(2)对小球受力分析,重力与绳子的拉力,因此合力的方向在运动平面内,
根据力的合成与分解,则有此时绳的拉力:T=
(3)整个过程中,由动能定理:W==
+mg(l-lcosθ)
答:(1)试求该装置转动的角速度为;
(2)此时绳的张力为;
(3)整个过程中,此装置对小球做的功为+mg(l-lcosθ).
风洞实验室能产生大小和方向均可改变的风力.如图所示,在风洞实验室中有足够大的光滑水平面,在水平面上建立xOy直角坐标系.质量m=0.5kg的小球以初速度v0=0.40m/s从O点沿x轴正方向运动,在0~2.0s内受到一个沿y轴正方向、大小F1=0.20N的风力作用;小球运动2.0s后风力方向变为y轴负方向、大小变为F2=0.10N(图中未画出).试求:(结果请保留两位有效数字)
(1)2.0s末小球在Y方向的速度大小和2.0s内运动的位移大小?
(2)风力F2作用多长时间,小球的速度变为与初速度相同?
(3)小球回到X轴时的动能?
正确答案
解:(1)设在0~2.0s内小球运动的加速度为a1,则F1=ma1
2.0s末小球在y方向的速度 v1=a1t1
代入得 v1=0.8m/s
沿x轴方向运动的位移 x1=v0t1
沿y轴方向运动的位移 y1=
2.0s内运动的位移 s1==0.8
≈1.1m
(2)设2.0s后小球运动的加速度为a2,F2的作用时间为t2时小球的速度变为与初速度相同.
则有 F2=ma2,v1=a2t2
代入数据解得 t2=4s
(3)设小球回到x轴上时的动能为Ek,由动能定理有
F1y1+F2y2=Ek-
代入数据解得 Ek=0.28J
答:
(1)2.0s末小球在Y方向的速度大小为0.8m/s,2.0s内运动的位移大小为1.1m.
(2)风力F2作用4s时间,小球的速度变为与初速度相同.
(3)小球回到X轴时的动能是0.28J.
解析
解:(1)设在0~2.0s内小球运动的加速度为a1,则F1=ma1
2.0s末小球在y方向的速度 v1=a1t1
代入得 v1=0.8m/s
沿x轴方向运动的位移 x1=v0t1
沿y轴方向运动的位移 y1=
2.0s内运动的位移 s1==0.8
≈1.1m
(2)设2.0s后小球运动的加速度为a2,F2的作用时间为t2时小球的速度变为与初速度相同.
则有 F2=ma2,v1=a2t2
代入数据解得 t2=4s
(3)设小球回到x轴上时的动能为Ek,由动能定理有
F1y1+F2y2=Ek-
代入数据解得 Ek=0.28J
答:
(1)2.0s末小球在Y方向的速度大小为0.8m/s,2.0s内运动的位移大小为1.1m.
(2)风力F2作用4s时间,小球的速度变为与初速度相同.
(3)小球回到X轴时的动能是0.28J.
在如图所示的竖直平面内,有一固定在水平地面的光滑平台.平台右端B与静止的水平传送带平滑相接,传送带长L=lm.有一个质量为m=0.5kg,带电量为q=+10-3C的滑块,放在水平平台上.平台上有一根轻质弹簧左端固定,右端与滑块接触但不连接.现用滑块缓慢向左移动压缩弹簧,且弹簧始终在弹性限度内.在弹簧处于压缩状态时,若将滑块静止释放,滑块最后恰能到达传送带右端C点.已知滑块与传送带间的动摩擦因数为μ=0.20(g取10m/s2)求:
(1)滑块到达B点时的速度VB,及弹簧储存的最大弹性势能EP;
(2)若传送带以1.5m/s的速度沿顺时针方向匀速转动,释放滑块的同时,在BC之间加水平向右的匀强电场E=5×102N/C.滑块从B运动到C的过程中,摩擦力对它做的功.
正确答案
解:(1)滑块从释放至运动到B点,由能量守恒得,
①
从B到C,由动能定理得, ②
联立①②两式,代入数据解得vB=2m/s
Ep=1J.
(2)加电场后,由于vB>v传,滑块滑上传送带时,加速度大小为a,
有:μmg-qE=ma
滑块减速的时间
滑块减速的位移
故滑块之后匀速运动,从B到C,由动能定理得,
代入数据解得Wf=0.9375J.
答:(1)滑块到达B点时的速度为2m/s,弹簧储存的最大弹性势能为1J.
(2)滑块从B运动到C的过程中,摩擦力对它做的功为0.9375J.
解析
解:(1)滑块从释放至运动到B点,由能量守恒得,
①
从B到C,由动能定理得, ②
联立①②两式,代入数据解得vB=2m/s
Ep=1J.
(2)加电场后,由于vB>v传,滑块滑上传送带时,加速度大小为a,
有:μmg-qE=ma
滑块减速的时间
滑块减速的位移
故滑块之后匀速运动,从B到C,由动能定理得,
代入数据解得Wf=0.9375J.
答:(1)滑块到达B点时的速度为2m/s,弹簧储存的最大弹性势能为1J.
(2)滑块从B运动到C的过程中,摩擦力对它做的功为0.9375J.
如图所示,物体以100J的初动能从斜面底端沿斜面向上运动,当它向上通过斜面上某一点M时,其动能减少了80J,克服摩擦力做功32J,则物体返回到斜面底端时的动能为( )
正确答案
解析
解:运用动能定理分析得出:
物体损失的动能等于物体克服合外力做的功(包括克服重力做功和克服摩擦阻力做功),
损失的动能为:△Ek=mgLsinθ+fL=(mgsinθ+f)L…①
损失的机械能等于克服摩擦阻力做功,△E=fL…②
由得:
=常数,与L无关,由题意知此常数为2.5.
则物体上升到最高点时,动能为0,即动能减少了100J,那么损失的机械能为40J,
那么物体返回到底端,物体又要损失的机械能为40J,故物体从开始到返回原处总共机械能损失80J,
因而它返回A点的动能为20J.
故选:A.
一质量为2kg的铅球从离地面3m高处自由下落,陷入沙坑3cm深处,则沙子对铅球的平均阻力f=______N.
正确答案
2020
解析
解:在整个运动过程中,对物体受力分析,由动能定理可知
mg(H+h)-fh=0-0
f==
=2020N
沙子对铅球的平均阻力为2020N
故答案为:2020.
轻质弹簧上端固定,下端连接质量m=3kg的物块A,物块A放在平台B上,通过平台B可以控制A的运动,如图所示.初始时A、B静止,弹簧处于原长.已知弹簧的劲度系数k=200N/m,g=10m/s2.(计算结果保留两位有效数字)
(1)若平台B缓慢向下运动,求:A、B一起竖直下降的最大位移x1.
(2)若平台B以a=5m/s2向下匀加速运动,求:A、B一起匀加速运动的时间t及此过程中B对A做的功W.
正确答案
解:(1)当AB一起运动达最大位移时,对A受力分析有:
mg-FN1-kx1=0
A.B分离瞬间FN1=0,故:x1=mg/k=0.15(m)
(2)设AB一起运动最大位移为x2,对A受力分析:mg-FN2-kx2=ma
A、B分离瞬间FN2=0,由位移公式有得t=0.17s
弹簧弹力对A做的功,F弹=k x2
分离时物块A的速度v2=2ax2
对A由动能定理有:
代入数据得B对A的作用力所做的功W=-0.56J
答:(1)A、B一起竖直下降的最大位移为0.15m
(2)A、B一起匀加速运动的时间to 0.17s,此过程中B对A做的功o-0.56J.
解析
解:(1)当AB一起运动达最大位移时,对A受力分析有:
mg-FN1-kx1=0
A.B分离瞬间FN1=0,故:x1=mg/k=0.15(m)
(2)设AB一起运动最大位移为x2,对A受力分析:mg-FN2-kx2=ma
A、B分离瞬间FN2=0,由位移公式有得t=0.17s
弹簧弹力对A做的功,F弹=k x2
分离时物块A的速度v2=2ax2
对A由动能定理有:
代入数据得B对A的作用力所做的功W=-0.56J
答:(1)A、B一起竖直下降的最大位移为0.15m
(2)A、B一起匀加速运动的时间to 0.17s,此过程中B对A做的功o-0.56J.
U型池单板滑雪是深受滑雪者喜爱的项目,其场地(横截面)如图所示,AB,CD均为半径R=3.6m的
圆轨道,BC为水平轨道,一质量m=60kg的运动员从A点以某一速度滑下,经U型轨道从D点竖直向上飞出,在D点上方完成动作的时间t=1.2s.然后又从D点滑入U型池,若不计阻力和摩擦,运动员可看成质点,求运动员在U型池滑行过程中,U型池对运动员的最大弹力.
正确答案
解:由题意可知
运动员在U型池中滑到圆弧最低点时,受到的弹力最大,由动能定理可得
解得 =2400N
答:U型池对运动员的最大弹力为2400N
解析
解:由题意可知
运动员在U型池中滑到圆弧最低点时,受到的弹力最大,由动能定理可得
解得 =2400N
答:U型池对运动员的最大弹力为2400N
质量m=1kg的物体,在光滑的水平面上运动,初速度v1=2m/s,受到一个与运动方向相同的合外力F=4N的作用,发生的位移s=2m,物体的末动能是多大?
正确答案
解:物体的初动能为:
合外力为:F合=F=4N
外力做功为:W=FS=4×2J=8J
设物体的末动能为Ek2
由动能定理得:FS=Ek2-Ek1
代入数据解得:Ek2=10J
答:物体的末动能是10J.
解析
解:物体的初动能为:
合外力为:F合=F=4N
外力做功为:W=FS=4×2J=8J
设物体的末动能为Ek2
由动能定理得:FS=Ek2-Ek1
代入数据解得:Ek2=10J
答:物体的末动能是10J.
某校物理兴趣小组举行遥控赛车比赛,如图所示,某遥控电动赛车(可视为质点)从A点由静止出发,经过时间t=2s后关闭电动机,赛车继续前进至B点后水平飞出,恰好从C点入口处沿着切线方向进入固定在竖直平面内的圆形光滑轨道,通过轨道最高点D后回到水平地面EF上,E点为圆形轨道的最低点.已知赛车在水平轨道AB部分运动时受到恒定阻力f=0.4N,赛车的质量m=0.4kg,通电后赛车的电动机以额定功率P=2W工作,轨道AB的长度L=2m,B、C两点的高度差h=0.45m,圆形轨道的半径R=0.5m,空气阻力忽略不计,重力加速度g取10m/s2.求:
(1)赛车运动到B点时速度的大小;
(2)BC两点的水平距离为多少;
(3)赛车经过最高点D处时受到轨道对它压力FD的大小.
正确答案
解:(1)从A点到B点的过程中,由动能定理有
Pt-fL=-0
代入数据解得 vB=4m/s
(2)从B到C赛车做平抛运动,则有
h=,得 t=
=
s=0.3s
BC两点的水平距离为 x=vBt=1.2m
(3)赛车经过C点时竖直分速度为 vy==
=3m/s
据题 tanα==
,α=37°
C点的速度为 vC==5m/s
从C到D,由机械能守恒定律得:
=mgR(1+cos37°)+
在D点,有 mg+FD=m
解得 FD=8.8N
答:
(1)赛车运动到B点时速度的大小是4m/s;
(2)BC两点的水平距离为1.2m;
(3)赛车经过最高点D处时受到轨道对它压力FD的大小是8.8N.
解析
解:(1)从A点到B点的过程中,由动能定理有
Pt-fL=-0
代入数据解得 vB=4m/s
(2)从B到C赛车做平抛运动,则有
h=,得 t=
=
s=0.3s
BC两点的水平距离为 x=vBt=1.2m
(3)赛车经过C点时竖直分速度为 vy==
=3m/s
据题 tanα==
,α=37°
C点的速度为 vC==5m/s
从C到D,由机械能守恒定律得:
=mgR(1+cos37°)+
在D点,有 mg+FD=m
解得 FD=8.8N
答:
(1)赛车运动到B点时速度的大小是4m/s;
(2)BC两点的水平距离为1.2m;
(3)赛车经过最高点D处时受到轨道对它压力FD的大小是8.8N.
如图所示小球沿水平面通过O点进入半径为R的半圆弧轨道后恰能通过最高点P,然后落回水平面.不计一切阻力.下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、在最高点P,小球由重力提供向心力,根据牛顿第二定律得,mg=,解得v=
.
对于平抛运动,根据2R=,解得,t=2
.
则水平距离x=vt=2R.故A正确.
B、根据动能定理得,mg2R=Ek-,解得,Ek=2mgR+
=2mgR+
=
.故B正确.
C、若将半圆弧轨道上部的圆弧截去,其他条件不变,则上升的最大高度时,速度为零,由机械能守恒定律知,小球达到的最大高度变大.
设小球能达到的最大高度为h,则根据机械能守恒得:Ek=mgh,得h==
R,比P点高0.5R,故C正确.
D、在最高点的速度不为零,由A项可知,最小速度为:v=,则由向心力公式:F=m
得知,向心力不为零.故D错误.
故选:ABC.
如图所示,固定的粗糙弧形轨道下端B点水平,上端A与B点的高度差为h1=1.55m,倾斜传送带与水平方向的夹角为θ=37°,传送带的上端C点到B点的高度差为h2=0.45m(传送带传动轮的大小可忽略不计).一质量为m=1kg的滑块(可看作质点)从轨道的A点由静止滑下,然后从B点水平抛出,恰好以平行于传动带的速度落到C点,传送带逆时针转动,速度大小为v=18m/s,滑块与传送带间的动摩擦因数为μ=
,且传送带足够长,滑块运动过程中空气阻力忽略不计,(sin37°=0.6cos37°=0.8g=10m/s2).试求:
(1)滑块运动至C点时的速度v0的大小;
(2)滑块由A到B运动过程中克服摩擦力做的功Wf;
(3)滑块在传送带上运动时与传送带摩擦产生的热量.
正确答案
解:(1)在C点,竖直分速度:vy==
而vy=vCsin37°
解得:vC=5m/s;
(2)C点的水平分速度为:vx=vB=vccos37°=4m/s
从A到B点的过程中,据动能定理列式:
mgh1-Wf=mvB2
解得:Wf=7.5J;
(3)滑块在传送带上运动时,据牛顿第二定律列:
μmgcos37°-mgsin37°=ma
解得:a=13m/s2;方向沿传送带向上;
滑块与传送带达到共同速度耗时:
t=;
二者间的相对位移为:
△s==6.5m;
由于mgsin37°<μmgcos37°
此后滑块将做匀速直线运动
Q=μmg△scos37°=;
答:(1)滑块运动至C点时的速度vC大小为5m/s;
(2)滑块由A到B运动过程中克服摩擦力做的功Wf为7.5J;
(3)滑块在传送带上运动时与传送带摩擦产生的热量Q为45.5J.
解析
解:(1)在C点,竖直分速度:vy==
而vy=vCsin37°
解得:vC=5m/s;
(2)C点的水平分速度为:vx=vB=vccos37°=4m/s
从A到B点的过程中,据动能定理列式:
mgh1-Wf=mvB2
解得:Wf=7.5J;
(3)滑块在传送带上运动时,据牛顿第二定律列:
μmgcos37°-mgsin37°=ma
解得:a=13m/s2;方向沿传送带向上;
滑块与传送带达到共同速度耗时:
t=;
二者间的相对位移为:
△s==6.5m;
由于mgsin37°<μmgcos37°
此后滑块将做匀速直线运动
Q=μmg△scos37°=;
答:(1)滑块运动至C点时的速度vC大小为5m/s;
(2)滑块由A到B运动过程中克服摩擦力做的功Wf为7.5J;
(3)滑块在传送带上运动时与传送带摩擦产生的热量Q为45.5J.
如图所示,小球m1从光滑的斜面上的A点由静止开始运动,与此同时小球m2在C点的正上方h处自由落下,m1途经斜面底端B点(无能量损失)后以不变的速率继续在光滑的平面上运动,在C点恰好与自由下落的小球m2相遇,若AB=l、h=4.5l、θ=30°,不计空气阻力,重力加速度用g表示.试求
(1)小球m2落至C点的速度大小;
(2)小球m1运动至C点的时间;
(3)平面上BC的长.
正确答案
解:(1)由动能定理有:
得:.
(2)设小球m1运动到C点的时间为t,据题m2运动至C点的时间也为t
由
得 ;
(3)设小球m1运动到B的速度为vB,经历时间为t1,运动BC段的时间为t2
则:
a=gsinθ
vB=at1
BC=vBt2
据题有:t1+t2=t
联解得:BC=l.
答:(1)小球m2落至C点的速度大小为;
(2)小球m1运动至C点的时间为;
(3)平面上BC的长为l.
解析
解:(1)由动能定理有:
得:.
(2)设小球m1运动到C点的时间为t,据题m2运动至C点的时间也为t
由
得 ;
(3)设小球m1运动到B的速度为vB,经历时间为t1,运动BC段的时间为t2
则:
a=gsinθ
vB=at1
BC=vBt2
据题有:t1+t2=t
联解得:BC=l.
答:(1)小球m2落至C点的速度大小为;
(2)小球m1运动至C点的时间为;
(3)平面上BC的长为l.
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