- 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
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
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