- 动量守恒定律
- 共6204题
如图所示,光滑水平路面上,有一质量为m1=5kg的无动力小车以匀速率v0=2m/s向前行驶,小车由轻绳与另一质量为m2=25kg的车厢连结,车厢右端有一质量为m3=20kg的物体(可视为质点),物体与车厢的动摩擦因数为μ=0.2,开始物体静止在车厢上,绳子是松驰的.求:
(1)当小车、车厢、物体以共同速度运动时,物体相对车厢的位移(设物体不会从车厢上滑下);
(2)从绳拉紧到小车、车厢、物体具有共同速度所需时间.(取g=10m/s2)
正确答案
(1)0.017m;(2)0.1s
(1)以m1和m2为研究对象,考虑绳拉紧这一过程,设绳拉紧后,m1、m2的共同速度为v1这一过程可以认为动量守恒,由动量守恒定律有m1v0=(m1+m2)v1,
解得.
再以m1、m2、m3为对象,设它们最后的共同速度为v2,则m1v0=(m1+m2+m3)v2,
解得
绳刚拉紧时m1和m2的速度为v1,最后m1、m2、m3的共同速度为v2,设m3相对m2的位移为Δs,则在过程中由能量守恒定律有
解得Δs=0.017m.
(2)对m3,由动量定理,有μm3gt=m3v2
所以,从绳拉紧到m1、m2、m3有共同速度所需时间为t=0.1s.
美国航空航天局和欧洲航空航天局合作研究的“卡西尼”号土星探测器,在美国东部时间2004年6月30日(北京时间7月1日)抵达预定轨道,开始“拜访”土星及其卫星家族.“卡西尼”号探测器进入绕土星飞行的轨道,先在半径为R的圆形轨道Ⅰ上绕土星飞行,运行速度大小为v1.为了进一步探测土星表面的情况,当探测器运行到A点时发动机向前喷出质量为△m的气体,探测器速度大小减为v2,进入一个椭圆轨道Ⅱ,运动到B点时再一次改变速度,然后进入离土星更近的半径为r的圆轨道Ⅲ,如图所示.设探测器仅受到土星的万有引力,不考虑土星的卫星对探测器的影响,探测器在A点喷出的气体速度大小为u.求:
(1)探测器在轨道Ⅲ上的运行速率v3和加速度的大小;
(2)探测器在A点喷出的气体质量△m.
正确答案
(1),
;(2)
(1)在轨道I上,探测器m所受万有引力提供向心力,设土星质量为M,则有
同理,在轨道Ⅲ上有
由上两式可得
探测器在轨道Ⅲ上运行时加速度设为a,则
解得
(2)探测器在A点喷出气体前后,由动量守恒定律,得mv1=(m-△m)v2+△mv
解得
如图所示,一质量m1=0.45kg的平板小车静止在光滑的水平轨道上.车上右端放一质量m2=0.2kg的小物体,小物体可视为质点.现有一质量m0=0.05kg的子弹以水平速度v0=100m/s射中小车左端,并留在车中,最终小物块以5m/s的速度与小车脱离.子弹与车相互作用时间很短,g取10m/s2.求:
①子弹刚刚射入小车时,小车的速度大小.
②小物块脱离小车时,小车的速度多大.
正确答案
①子弹进入小车的过程中,子弹与小车组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得:
m0v0=(m0+m1)v1
解得v1=10m/s
②三物体组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得:
(m0+m1)v1=(m0+m1)v2+m2v3
解得:v2=8 m/s
答:①子弹刚刚射入小车时,小车的速度大小是10m/s.
②小物块脱离小车时,小车的速度是8 m/s.
如图所示,质量为M的木块静止在光滑水平面上,一颗质量为m的子弹以初速度v0水平向右射入木块,子弹与木块间的相互作用力恒定,从开始到子弹与木块共速的时间内,木块的位移和子弹在木块内的位移分别为SM和d,试证明:=
.
正确答案
设共速时速度为v,
根据动量守恒定律得:
设相互作用力为f
对木块运用动能定理得:fSM=M(
v0)2
对系统运用动能定理得:fd=m
-
(M+m)(
v0)2
解得:=
(1)下列说法正确的是
A.一束光照射到某种金属上不能发生光电效应,是因为光的强度太弱
B.德布罗意认为一切物体都具有波粒二象性
C.比结合能小的原子核结合成或分解成比结合能大的原子核时一定吸收能量
D.黑体辐射电磁波的强度按波长分布只与温度有关
(2)核电池又叫‘放射性同位素电池”,一个硬币大小的核电池可以让手机不充电使用5000年。燃料中钚( )是一种人造同位素,可通过下列反应合成:
① 用氘核( )轰击铀(
)生成镎(
)和两个相同的粒子x ,核反应方程是
;
②镎()放出一个粒子Y 后转变成钚(
) ,核反应方程是
。则x 粒子的符号为 ;Y 粒子的符号为 。
(3)如图甲,光滑水平面上有A、B两物体,已知A的质量为2 kg,A以一定的初速度向右运动,与B发生正碰后粘在一起向右运动,它们位移时间图像如图乙求:
①物体B的质量;
②AB碰撞过程中损失的机械能。
正确答案
(1)BD(4分,选对但不全的得2分);(2);
(每空2分);(3)①6kg(2分);②12J(2分)。
试题分析:(1)A中一束光照射到某种金属上不能发生光电效应,不是因为光的强度太弱,而是光的能量太小,即光的频率太小,故A不对;B中德布罗意认为一切物体都具有波粒二象性是正确的;C中比结合能小的原子核结合成或分解成比结合能大的原子核时会出现质量亏损,根据爱因斯坦质量方程可知,一定释放核能,故C是不对的;D中黑体辐射电磁波的强度按波长分布只与温度有关是正确的,故D是正确的,所以该题选AD。
(2)根据核反应方程中质量数守恒的规律可知,x粒子的质量数为1,核电荷数为0,故它是中子;Y粒子的质量数为0,核电荷数为-1,故它是电子;
(3)①由图知:碰前vA=4m/s,vB=0,碰后两者速度v=1m/s,
由动量守恒定律可知mAvA=(mA+mB)v,解得:mB=6kg(2分)
②损失的机械能=12J(2分)。
(1)物块A与B发生碰撞。
(2)物块A与B发生碰撞(设为弹性碰撞)后,物块B与档板P发生碰撞。
(3)物块B与档板P发生碰撞(设为弹性碰撞)后,物块B与A在木板C上再发生碰撞。
(4)物块A从木板C上掉下来。
(5)物块B从木板C上掉下来。
正确答案
(1)A与B发生碰撞的条件是:
(2) A与B相撞,B再与P相撞的条件是:
(3)物块A的初速度 时, 物块B、A在木板C上不可能再发生碰撞
(4) A从C掉下的条件是:
(5)物块B从木板C上掉下的条件是:
用m表示A、B和C的质量。
(1)当物块A以初速度v0向右运动时,它因受C给它的滑动摩擦力做匀减速直线运动,而它作用于C的摩擦力不足以使B、C产生相对滑动,即B、C以相同加速度做匀加速直线运动。物块A、B发生碰撞的临界情况是:物块A运动到物块B所在处时,A、B速度相等。
在临界状况下,因为B与木板C的速度始终相等,所以A、B即将碰撞时,A、B、C三者速度均相同,设为v1。由动量守恒定律有
mv0=3mv1 ①
在此过程中,设木板C 运动的路程为s1,则物块A运动的路程为s1+L,由功能原理得:
②
解①、②得:
故A与B发生碰撞的条件是:
(2)当物块A的初速度时,A、B将发生碰撞,物块B与档板P发生碰撞的临界情况是:物块B运动到档板P所在处时,B、C的速度相等。同(1)中结论,在临界状况下,当B运动到档板P处时,A、B、C三者速度相等,设此速度为v2,根据动量守恒定律得:
mv0=3mv2 ③
设A、B碰撞前瞬间,A、B、C速度分别为vA、vB和vC,则vA>vB,vB=vC。
在A、B碰撞的极短时间内,A、B构成的系统的动量近似守恒,而木板C的速度保持不变,因为A、B间的碰撞是弹性的,即系统机械能守恒,又物块A、B质量相等,故易得:碰撞后A、B速度交换,设碰撞刚结束时A、B、C三者的速度分别为vAˊ、vBˊ、vCˊ,则vAˊ=vB,vBˊ=vA,vCˊ=vC,刚碰撞后A、B、C的运动与(1)类似,只是A、B的运动进行了交换,由此易分析:在整个运动过程中,先是A相对C运动的路程为L,接着是B相对C运动的路程为L,整个系统的动能转变为内能。类似(1)中方程得
④
联立③、④解之,得:
故A与B相撞,B再与P相撞的条件是:
(3)当物块A的初速度 时,B将与档板P相撞,撞后A、B、C的运动可由(2)中运动类比得到:B、P碰撞后瞬间,物块A、B速度相同,木板C速度最大,然后C以较大的加速度向右做减速运动,而物块A和B以相同的较小加速度向右做加速运动,加速过程将持续到或者A、B与C速度相同,三者以相同速度
向右做匀速运动,或者木块A从木板C上掉了下来,因此物块B、A在木板C上不可能再发生碰撞。
(4)若A刚刚没从木板C上掉下来,即A到达C的左端时的速度变为与C相同,这时三者的速度皆相同,以v3表示,由动量守恒有
3mv3=mv0 ⑤
从A以初速度v0在木板C的左端开始运动,经过B与P相碰,直到A刚没从木板C的左端掉下来,这一整个过程中,系统内部先是A相对C运动的路程为L,接着B相对C运动的路程也是L,B与P碰后直到A刚没从木板C上掉下来,A与B相对C运动的路程也皆为L,整个系统动能的改变应等于内部相互滑动摩擦力做功的代数和。
即:(3m)v32-
mv02 =-μmg·4L ⑥
由⑤⑥两式得:
故A从C掉下的条件是:
(5)当物块A的初速度时,A将从木板C上掉下来。设A刚从木板C上掉下来时,A、B、C三者的速度分别为vA″, vB″, vC″,有vA″=vB″<vC″,这时⑤式应改写成
mv0=2m vA″+mvC″ ⑦
⑥式应改写成: (2m)vB″2+
mv″C2-
mv0=-μmg·4L ⑧
当物块A掉下C后,物块B从木板C掉下的临界情况是:当C在左端赶上B时,B与C的速度相等,设此速度为v4
则由动量守恒定律可得: mvB″+ mvC″=2mv4 ⑨
再对B、C系统从A掉下C到B掉下C的过程用动能定律:
(2m)v42 —
(mv″B2+mvC″2)= -μmgL ⑩
联立⑦⑧⑨⑩,注意到vA″=vB″<vC″,可解得:
,
,
故物块B从木板C上掉下的条件是:
质量M=3kg.足够长的平板车放在光滑的水平面上,在平板车的左端放有一质量m=1kg的小物块(可视为质点),小车左上方的天花板上固定一障碍物A,其下端略高于平板车上表面但能挡住物块,如图所示.初始时,平板车与物块一起以的水平速度向左运动,此后每次物块与A发生碰撞后,速度均反向但大小保持不变,而小车可继续运动,已知物块与小车间的动摩擦因数
取
,碰撞时间可忽略不计,求:
小题1:与A第一次碰撞后,物块与平板车相对静止时的速率;
小题2:从初始时刻到第二次碰撞后物块与平板车相对静止时,物块相对车发生的位移,
正确答案
小题1:1m/s
小题2:1.5m
如图,质量均为m的物体A和B分别与轻弹簧的两端相连,将它们静置在地面上,一质量也为m的小物体C从距物体A高h处由静止开始下落,C与A相碰后立即粘在一起向下运动,以后不再分开。当A与C运动到最高点时,物体B对地面刚好无压力,不计空气阻力,弹簧始终处于弹性限度内,已知重力加速度为g,求:
(1)A与C一起向下运动的初速度大小
(2) A与C一起运动的最大加速度大小
(3)弹簧的劲度系数
正确答案
解(1)设小物体C静止开始运动到A点时速度为v,由机械能守恒定律得
设C与A碰撞粘在一起时速度为v,由动量守恒定律得
(2分)
得
(1分)
(2)A与C一起将在竖直方向作简谐运动。当A与C运动到最高点时,回复力最大,加速度最大。
A、C受力图,B受力图如图,
对B依受力平衡有: F="mg " (1分)
对AC最高点时应用牛顿第二定律:
F+2mg="2ma " (2分)
可得a="1.5g " (1分)
略
图所示,在水平光滑的平面上停着一辆平板小车,小车质量M=10kg,在小车上的A处放有质量m=5kg的小滑块,现给小滑块一个瞬时冲量,使它获得=6m/s的初速度在平板上滑行,与固定在平板车上的弹簧作用后又弹回,最后刚好回到A点与车保持相对静止,在此过程中小滑块相对于小车通过的总路程s=3m,g=10
,试求:
(1)弹簧在压缩过程中所具有的最大弹性势能;
(2)小滑块与平板车之间的动摩擦因数.
正确答案
(1)30J (2)0.4
(1)滑块m滑至弹簧压缩量最大时,有:
=(m+M)v,
m滑回A点时,与小车共同运动的速度仍为v,有:
(10分)如图所示,半径为R的四分之一圆弧轨道放在水平面上,且圆弧上端切线竖直,下端与水平面平滑相切。另有一质量为m的小球以速度冲上圆弧轨道,已知圆弧轨道的质量M=3m,不计摩擦和空气阻力,
求:(1)小球冲出圆弧轨道后能继续上升的最大高度h=?
(2)在小球上升h的过程中圆弧轨道移动的距离S=?
正确答案
(1) 5R(2)
试题分析:由水平动量守恒得:,共同的水平速度为
由能量守恒得,解得:
,所以又上升的高度为5R,
(2)水平移动的距离为:得
点评:在求解本题过程中明确小球运动到最高点时两者水平速度相等,小球竖直速度为零是本题的突破口,整个系统没有摩擦力和能量的损失,所以系统的机械能是守恒的,这是求解本题的关键
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