- 动能定理的应用
- 共327题
如图所示,ABCD为固定在竖直平面内的轨道,AB段光滑水平,BC段为光滑圆弧,对应的圆心角θ=37°,半径r=2.5 m,CD段平直倾斜且粗糙,各段轨道均平滑连接,倾斜轨道所在区域有场强大小为E=2×105 N/C、方向垂直于斜轨向下的匀强电场,质量m=5×10-2 kg、电荷量q=+1×10-6 C的小物体(视为质点)被弹簧枪发射后,沿水平轨道向左滑行,在C点以速度v0=3 m/s冲上斜轨,以小物体通过C点时为计时起点,0.1 s以后,场强大小不变,方向反向,已知斜轨与小物体间的动摩擦因数μ=0.25,设小物体的电荷量保持不变,取g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。
(1)求弹簧枪对小物体所做的功;
(2)在斜轨上小物体能到达的最高点为P,求CP的长度。
正确答案
(1)0.475 J
(2)0.57 m
解析
(1)设弹簧枪对小物体做功为Wf,由动能定理得
Wf-mgr(1-cosθ)=mv02①
代入数据得Wf=0.475 J。②
(2)取沿平直斜轨向上为正方向,设小物体通过C点进入电场后的加速度为a1,
由牛顿第二定律得
-mgsinθ-μ(mgcosθ+qE)=ma1③
小物体向上做匀减速运动,经t1=0.1 s后,速度达到v1,有
v1=v0+a1t1④
由③④可知v1=2.1 m/s,设运动的位移为s1,有
s1=v0t1+a1t12
电场力反向后,设小物体的加速度为a2,由牛顿第二定律得
-mgsinθ-μ(mgcosθ-qE)=ma2
设小物体以此加速度运动到速度为0,运动的时间为t2,位移为s2,有
0=v1+a2t2
s2=v1t2+a2t22
设CP的长度为s,有
s=s1+s2
联立相关方程,代入数据解得
s=0.57 m。
知识点
如图,在竖直平面内有一固定光滑轨道,其中AB是长为R的水平直轨道,BCD是圆心为O、半径为R的圆弧轨道,两轨道相切于B点,在外力作用下,一小球从A点由静止开始做匀加速直线运动,到达B点时撤除外力,已知小球刚好能沿圆轨道经过最高点C,重力加速度大小为g,求:
(1)小球从在AB段运动的加速度的大小;
(2)小球从D点运动到A点所用的时间。
正确答案
见解析。
解析
(1)小球在BCD段运动时,受到重力、轨道正压力
的作用,如图所示,据题意,
,且小球在最高点C所受轨道压力为0
①
设小球在C点的速度大小为,根据牛顿第二定律有
②
小球从B点运动到C点,机械能守恒,设B点处小球的速度大小为,有
③
由于小球在AB段由静止开始做匀加速运动,设加速度大小为,由运动学公式得
④
由②③④式得 ⑤
(2)设小球在D处的速度大小为,下落到A点时的速度大小为
,由机械能守恒有
⑥
⑦
设从D点运动到A点所用时间为,由运动学公式得
⑧
由④⑤⑥⑦⑧式得
⑨
知识点
如图所示,以A、B和C、D为端点的两半圆形光滑轨道固定于竖直平面内,一滑板静止在光滑水平地面上,左端紧靠B点,上表面所在平面与两半圆分别相切于B、C。一物块被轻放在水平匀速运动的传送带上E点,运动到A时刚好与传送带速度相同,然后经A沿半圆轨道滑下,再经B滑上滑板。滑板运动到C时被牢固粘连。物块可视为质点,质量为m,滑板质量M=2m,两半圆半径均为R,板长l =6.5R,板右端到C的距离L在R<L<5R范围内取值。E距A为s=5R。物块与传送带、物块与滑板间的动摩擦因素均为μ=0.5,重力加速度取g。
(1)求物块滑到B点的速度大小;
(2)试讨论物块从滑上滑板到离开滑板右端的过程中,克服摩擦力做的功Wf与L的关系,并判断物块能否滑到CD轨道的中点。
正确答案
见解析。
解析
(1)滑块从静止开始做匀加速直线运动到A过程,滑动摩擦力做正功,滑块从A到B,重力做正功,根据动能定理,,解得:
。
(2)滑块从B滑上滑板后开始作匀减速运动,此时滑板开始作匀加速直线运动,当滑块与滑板达共同速度时,二者开始作匀速直线运动。设它们的共同速度为v,根据动量守恒,解得:
。
对滑块,用动能定理列方程:,解得:s1=8R
对滑板,用动能定理列方程:,解得:s2=2R
由此可知滑块在滑板上滑过s1-s2=6R时,小于6.5R,并没有滑下去,二者就具有共同速度了。
当2R≤L<5R时,滑块的运动是匀减速运动8R,匀速运动L-2R,匀减速运动0.5R,滑上C点,根据动能定理:,解得:
,
,滑块不能滑到CD轨道的中点。
当R<L<2R时,滑块的运动是匀减速运动6.5R+L,滑上C点。根据动能定理:
,解得:
当时,可以滑到CD轨道的中点,此时要求L<0.5R,这与题目矛盾,所以滑块不可能滑到CD轨道的中点。
知识点
如图15所示,一条轨道固定在竖直平面内,粗糙的ab段水平,bcde段光滑,cde段是以O为圆心、R为半径的一小段圆弧。可视为质点的物块A和B紧靠在一起,静止于b处,A的质量是B的3倍。两物块在足够大的内力作用下突然分离,分别向左、右始终沿轨道运动。B到b点时速度沿水平方向,此时轨道对B的支持力大小等于B所受重力的3/4,A与ab段的动摩擦因数为μ,重力加速度g,求:
(1)物块B在d点的速度大小;
(2)物块A滑行的距离s
正确答案
(1)υ =(2)s =
。
解析
(1)B在d点,根据牛顿第二定律有:
mg −mg =
解得:υ =
(2)B从b到d过程,只有重力做功,机械能守恒有:
mυB2 = mgR +
mυ2①
分离过程动量守恒有:
3mυA = mυB ②匀减速直线运动,用动能定理得:0 —
×3mυA2 = − 3μmg s③
联立①②③,解得:
s =
知识点
山谷中有三块大石头和一根不可伸长的轻质青藤,其示意图如下。图中A、B、C、D均为石头的边缘点,O为青藤的固定点,h1=1.8m,h2=4.0m,x1=4.8m,x2=8.0m。开始时,质量分别为M=10kg和m=2kg的大、小两只滇金丝猴分别位于左边和中间的石头上,当大猴发现小猴将受到伤害时,迅速从左边石头A点起水平跳到中间石头,大猴抱起小猴跑到C点,抓住青藤的下端荡到右边石头的D点,此时速度恰好为零。运动过程中猴子均看成质点,空气阻力不计,重力加速度g=10m/s2,
求:
(1)大猴子从A点水平跳离时速度的最小值;
(2)猴子抓住青藤荡起时的速度大小;
(3)猴子荡起时,青藤对猴子的拉力大小。
正确答案
见解析。
解析
(1)根据,解得
。则跳离的最小速度
(2)根据机械能守恒定律得,解得
(3)根据牛顿第二定律得,F-(M+m)g=(M+m) 根据几何关系得,(L-h2)2+x22=L2
联立解得F=216N,
知识点
如图,在:半径为2.5m的光滑圆环上切下一小段圆弧,放置于竖直平面内,两端点距最低点高度差H为1cm。将小环置于圆弧端点并从静止释放,小环运动到最低点所需的最短时间为____s,在最低点处的加速度为____m/s2。(取g=10m/s2)
正确答案
0.785 ;
0.08
解析
小环运动沿圆弧的运动可类比于单摆的简谐运动,小环运动到最低点所需的最短时间为t=T/4==0.785s。由机械能守恒定律,mgH=
mv2,在最低点处的速度为v=
。在最低点处的加速度为a=
=
=0.08m/s2。
知识点
如图所示,四分之一圆轨道OA与水平轨道AB相切,它们与另一水平轨道CD在同一竖直面内,圆轨道OA的半径R=0.45m,水平轨道AB长S1=3m, OA与AB均光滑。一滑块从O点由静止释放,当滑块经过A点时,静止在CD上的小车在F=1.6N的水平恒力作用下启动,运动一段时间后撤去力F。当小车在CD上运动了S2=3.28m时速度υ=2.4m/s,此时滑块恰好落入小车中。已知小车质量M=0.2kg,与CD间的动摩擦因数μ=0.4。(取g=10m/s2)求
(1)恒力F的作用时间t。
(2)AB与CD的高度差h。
正确答案
(1)1s (2)0.8m
解析
(1)设小车在恒力F作用下的位移为l,由动能定理得
F l − μMg s2 =Mυ2
由牛顿第二定律得
F − μMg = Ma
由运动学公式得
l = a t2
联立以上三式,带入数据得
a = 4m/s2 t = = 1 s
(2)滑块由O滑至A的过程中机械能守恒,即
mgR = mυA2
AB段运动时间为
t == 1s
故滑块离开B后平抛时间与小车撤掉恒力F后运动时间相同。
由牛顿第二定律得:
μMg = Ma′
由运动学公式得
υ = a t − a′t′
由平抛规律得
h =g t′ 2
带入数据得:h = 0.8m
知识点
(1)我国舰载飞机在“辽宁舰”上成功着舰后,某课外活动小组对舰载飞机利用阻拦索着舰的力学问题很感兴趣。他们找来了木板、钢球、铁钉、橡皮条以及墨水,制作了如题图所示的装置,准备定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系。要达到实验目的,需直接测量的物理量是钢球由静止释放时的 和在橡皮条阻拦下前进的距离,还必须增加的一种实验器材是 。忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力,重力加速度已知,根据 定律(定理),可得到钢球被阻拦前的速率。
(2)某同学对有故障的电热毯进行探究,题图1是电热毯的电路示意图,其中电热线和导线通过金属接线片连接。题图2为测试电路实物图,A、B为测试表笔,电压表内阻很大,可视为理想电表。
①请在答题卡虚线框内画出与题图2对应的电路图。
②断开K1,用上述测试电路在1和1′之间检测得知电热线无故障,然后测得电热线的U-I曲线如题图3所示。已知电热线材料的电阻率为2. 8×10-7 Ω·m,电热线的直径为0. 200 mm。可求得此电热线的电阻为 kΩ,总长度为 m。(结果均保留两位有效数字)
③为了进一步检查故障,该同学闭合开关K1和K2,用表笔A和B分别对题图1中所示的各点进行测试,部分测试结果如下表所示。由此测试结果可判断出电路有断路,位置在 (在“1和2”、“1′和2′”、“2和3”、“2′和3′”中选填一项)。
正确答案
(1)高度(距水平木板的高度) 刻度尺 机械能守恒(动能)
(2)①电路图(如图)
②0.58(0.57~0.59均可) 65(64~66均可)
③1′和2′
解析
(1)根据实验目的,要定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系,就需要知道这两个量的值,用刻度尺可测量钢球在橡皮条阻拦下前进的距离,根据动能定理或机械能守恒定律:mgh=,测出h,就可求出钢球被阻拦前的速率v.
(2)①电路图如图:
②由题图可求,由图线斜率可求得R=0.58 kΩ(0.57~0.59均可),由
,可得l=65 m(64~66均可)。
③由题表可知,1′和2′之间,电压表有示数,电流表示数为零,说明其间有断路。
知识点
如图,匀强电场中有一半径为r的光滑绝缘圆轨道,轨道平面与电场方向平行。a、b为轨道直径的两端,该直径与电场方向平行。一电荷为q(q>0)的质点沿轨道内侧运动.经过a点和b点时对轨道压力的大小分别为FNa和FNb不计重力,求电场强度的大小E、质点经过a点和b点时的动能。
正确答案
见解析
解析
解析:质点所受电场力的大小为f=qE,,
综上得:
知识点
一物体放在水平地面上,如图Ⅰ所示,已知物体所受水平拉力F随时间的变化情况如图2所示,物体相应的速度随时间的变化关系如图3所示。求:
(1)0~8s时间内拉力的冲量;
(2)0~6s时间内物体的位移;
(3)0~10s时间内,物体客服摩擦力所做的功。
正确答案
见解析
解析
(1)由图2知
(2)由图3知物体的位移为
(3)由图2知,在6~8s时间内,物体作匀速运动,于是有f=2N
由图3知在0~10s时间内,物体的总位移为,
所以
知识点
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