- 动量守恒定律
- 共6204题
两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内,两导轨间的距离为L,导轨上面横放着两根导体棒ab和cd,构成矩形回路,如图所示,两根导体棒的质量皆为m,电阻皆为R,回路中其余部分的电阻可不计,在整个导轨平面内都有垂直于轨道面竖直向上的匀强磁场,磁感应强度为B,设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行,开始时,棒cd静止,棒ab有指向棒cd的初速度υ0。若两导体棒在运动中始终不接触,求:
(1)在运动中产生的焦耳热量是多少?
(2)当ab棒的速度变为初速度的时,cd棒的加速度是多少?
正确答案
解:(1)由动量守恒定律得:
∴ , 由能量守恒可知:
∴
(2)由动量守恒得:
∴
∴回路中的电动势为:
安培力: ,且
,
∴
(1)如图所示为氢原子的能级图,若用能量为10.5eV的光子去照射一群处于基态的氢原子,则氢原子______________;
A.能跃迁到n=2的激发态上去
B.能跃迁到n=3的激发态上去
C.能跃迁到n=4的激发态上去
D.不能跃迁到任何一个激发态
(2)质量为M=2.0kg的木块,从A点由静止起沿斜面下滑,斜面倾角为θ=37°,木块与斜面间动摩擦因数为μ=0.50。开始下滑后1s末,一子弹以平行于斜面向上的初速度v0=900m/s,射入木块,经极短时间,以v1=100m/s的速度穿出木块,已知子弹的质量为m=0.015kg,取sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2,求子弹穿出后,木块在运动过程中到A点的最小距离。
正确答案
(1)D
(2)木块沿斜面下滑,由牛顿定律有:Mgsin37°-μMgcos37°=Ma
解得a=2m/s21s末速度v=at=2m/s,位移为:s=at2=1m
子弹射入木块,子弹与木块动量守恒,设沿斜面向上为正,则有:
mv0-Mv=mv1+Mv'
解得:v'=4m/s,方向沿斜面向上
当木块沿斜面上滑,由牛顿定律有:Mgsin37°+μMgcos37°=Ma'
解得a'=10m/s2子弹能上滑距离为s'=
代入数据解得:s'=0.8m
所以木块距A点的最小距离为Δs=s-s'=0.2m
如图,光滑轨道固定在竖直平面内,水平段紧贴地面,弯曲段的顶部切线水平、离地高为h;滑块A静止在水平轨道上,v0=40m/s的子弹水平射入滑块A后一起沿轨道向右运动,并从轨道顶部水平抛出。已知滑块A的质量是子弹的3倍,取g=10m/s2,不计空气阻力。求:
(1)子弹射入滑块后一起运动的速度;
(2)水平距离x与h关系的表达式;
(3)当h多高时,x最大,并求出这个最大值。
正确答案
解:(1)设子弹的质量为m,则滑块的质量为3m,子弹射入滑块后一起运动速度为v1,由动量守恒:
……①
得:……②
(2)设子弹与滑块到达轨道顶部时的速度为v2,由机械能守恒定律:
……③
设子弹与滑块离开轨道顶部到落到地面的时间为t,由平抛运动规律:
……④
……⑤
联立③④⑤得:……⑥
(3)因为:
所以:时,B的水平距离最大 ……⑦
……⑧
如图所示是一个物理演示实验,它显示:图中自由下落的物体A和B经反弹后,B能上升到比初始位置高得多的地方。A是某种材料做成的实心球,质量m1=0.28 kg,在其顶部的凹坑中插着质量m2=0.10 kg的木棍B,B只是松松地插在凹坑中,其下端与坑底之间有小空隙。将此装置从A下端离地板的高度H=1.25 m处由静止释放。实验中,A触地后在极短时间内反弹,且其速度大小不变;接着木棍B脱离球A开始上升,而球A恰好停留在地板上。求木棍B上升的高度。重力加速度g=10 m/s2。
正确答案
解:根据题意,A碰地板后,反弹速度的大小v1等于它下落到地面时速度的大小,即v1==5 m/s
A刚反弹后,速度向上,立刻与下落的B碰撞,碰前B的速度:v2==5 m/s
由题意,碰后A速度为零,以v2′表示B上升的初速度,根据动量守恒:(以向上为正方向)
m1v1-m2v2=m2v2′
得v2′=9 m/s
令h表示B上升的高度,有h==4.05 m
某兴趣小组用如图所示的装置进行实验研究。他们在水平桌面上固定一内径为d的圆柱形玻璃杯,杯口上放置一直径为3d/2、质量为m的匀质薄圆板,板上放一质量为2m的小物块。板中心、物块均在杯的轴线上。物块与板间动摩擦因数为μ,不计板与杯口之间的摩擦力,重力加速度为g,不考虑板翻转。
(1)对板施加指向圆心的水平外力F,设物块与板间最大静摩擦力为fmax,若物块能在板上滑动,求F应满足的条件。
(2)如果对板施加的指向圆心的水平外力是作用时间极短的较大冲击力,冲量为I。
① I应满足什么条件才能使物块从板上掉下?
② 物块从开始运动到掉下时的位移s为多少?
③ 根据s与I的关系式说明要使s更小,冲量应如何改变。
正确答案
解:(1)设圆板与物块相对静止时,它们之间的静摩擦力为f,共同加速度为a
由牛顿运动定律,有:对物块f=2ma,对圆板F-f=ma
两物相对静止,有f ≤ fmax
得
相对滑动的条件
(2)设冲击刚结束时圆板获得的速度大小为v0,物块掉下时,圆板和物块速度大小分别为v1和v2由动量定理,有I=mv0
由动能定理,有:
对圆板
对物块由动量守恒定律,有mv0=mv1+2mv2
要使物块落下,必须v1>v2
由以上各式得
分子有理化得根据上式结果知:I越大,s越小
质量mA=3.0kg、长度L=0.60m、电量q=+4.0C的导体板A在绝缘水平面上,质量mB=1.0kg可视为质点的绝缘物块B在导体板A上的左端,开始时A、B保持相对静止一起向右滑动,当它们的速度减小到
=3.0 m/s时,立即施加一个方向水平向左、场强大小E=1.0
N/C的匀强电场,此时A的右端到竖直绝缘挡板的距离为s,此后A、B始终处在匀强电场中,如图所示。假定A与挡板碰撞时间极短且无机械能损失,A与B之间(动摩擦因数
=0.25)及A与地面之间(动摩擦因数
=0.10)的最大静摩擦力均可认为等于其滑动摩擦力,g取10 m/s2。试通过计算分析:
(1)A在未与挡板相碰前A、B之间是否有相对滑动?
(2)要使B恰好不从A上滑下,s应等于多少?
正确答案
解:(1)A、B不相对滑动的最大加速度
若A、B一起作匀减速运动,则其加速度为
所以A、B要一起作匀减速运动
(2)设碰挡板前瞬间的速度为,则有
,
因与挡板相碰的过程无机械能损失,A碰撞挡板后只是速度反向,大小不变,以后A、B组成的系统合外力为零,动量守恒,有
要使B不从A上滑下,必然有
解得:
如图所示,水平传送带AB长l=1.3m,距离地面的高度h=0.20m,木块与地面之间的动摩擦因数μ0=0.20。质量为M=1.0kg的木块随传送带一起以v=2.0m/s的速度向左匀速运动(传送带的传送速度恒定),木块与传送带间的动摩擦因数μ=0.50。当木块运动至最左端A点时,此时一颗质量为m=20g的子弹以v0=300m/s水平向右的速度正对射入木块并穿出,穿出速度u=50m/s,以后每隔1.0s就有一颗子弹射向木块,设子弹射穿木块的时间极短,且每次射入点各不相同,g取10m/s2。求:
(1)木块在传送带上最多能被多少颗子弹击中?
(2)从第一颗子弹射中木块后到木块最终离开传送带的过程中,木块和传送带间因摩擦产生的热量是多少?
(3)如果在木块离开传送带时,地面上有另一相同木块立即从C点以v1=1.0m/s向左运动,为保证两木块相遇,地面木块应在距离B点正下方多远处开始运动?
正确答案
(1)传送带上最多能被2颗子弹击中
(2)20.5J
(3)0.36m
如图所示,质量M=1.0kg的木块随传送带一起以v=2.0m/s的速度向左匀速运动,木块与传送带间的动摩擦因数μ=0.50。当木块运动至最左端A点时,一颗质量为m=20g的子弹以v0=3.0×102m/s水平向右的速度击穿木块,穿出时子弹速度v1=50m/s。设传送带的速度恒定,子弹击穿木块的时间极短,且不计木块质量变化,g=10m/s2。求:
(1)在被子弹击穿后,木块向右运动距A点的最大距离;
(2)子弹击穿木块过程中产生的内能;
(3)从子弹击穿木块到最终木块相对传送带静止的过程中,木块与传送带间由于摩擦产生的内能。
正确答案
解:(1)设木块被子弹击穿时的速度为u,子弹击穿木块过程动量守恒
mv0-Mv=mv1+Mu,解得u=3.0m/s
设子弹穿出木块后,木块向右做匀减速运动的加速度为a,根据牛顿第二定律
μmg=ma,解得a=5.0m/s2
木块向右运动到离A点最远时,速度为零,设木块向右移动最大距离为s1
u2=2as1,解得s1=0.90m
(2)根据能量守恒定律可知子弹射穿木块过程中产生的内能为
E=
解得E=872.5J
(3)设木块向右运动至速度减为零所用时间为t1,然后再向左做加速运动,经时间t2与传送带达到相对静止,木块向左移动的距离为s2。根据运动学公式
v2=2as2,解得s2=0.40m
t1==0.60s,t2=
=0.40s
木块向右减速运动的过程中相对传送带的位移为=2.1m
产生的内能Q1=μMg=10.5J
木块向左加速运动的过程中相对传送带的位移为=vt2-s2=0.40m
产生的内能Q2=μMg=2.0J
所以整个过程中木块与传送带摩擦产生的内能Q=Q1+Q2=12.5J
在光滑水平面上有两个小木块A和B,其质量mA=1 kg、mB=4 kg,它们中间用一根轻质弹簧相连。一颗水平飞行的子弹质量为m=50 g,以V0=500 m/s的速度在极短时间内射穿两木块,已知射穿A木块后子弹的速度变为原来的,且子弹射穿A木块损失的动能是射穿B木块损失的动能的2倍。求:系统运动过程中弹簧的最大弹性势能。
正确答案
解:子弹穿过A时,子弹与A动量守恒,由动量守恒定律:
①
而由得:
m/s
得:m/s ②
子弹穿过B时,子弹与B动量守恒,由动量守恒定律:
③
又由 ④
得:m/s
由③④得:m/s ⑤
子弹穿过B以后,弹簧开始被压缩,A、B和弹簧所组成的系统动量守恒,由动量守恒定律:
⑥
由能量关系: ⑦
由②⑤⑥⑦得:J ⑧
如图所示,一个带有圆弧的粗糙滑板A的总质量mA=3 kg,其圆弧部分与水平部分相切于P,水平部分PQ长L=3.75 m。开始时,A静止在光滑水平面上。现有一质量mB=2 kg的小木块B从滑块A的右端以水平初速度v0=5 m/s滑上A,小木块B与滑板A之间的动摩擦因数μ=0.15,小木块B滑到滑板A的左端并沿着圆弧部分上滑一段弧长后返回,最终停止在滑板A上。
(1)求A、B相对静止时的速度大小;
(2)若B最终停在A的水平部分上的R点,P、R相距1 m,求B在圆弧上运动的过程中因摩擦而产生的内能;
(3)若圆弧部分光滑,且除v0不确定外其他条件不变,讨论小木块B在整个运动过程中,是否有可能在某段时间里相对地面向右运动?如不可能,请说明理由;如可能,试求出B既向右滑动,又不滑离木板A的v0取值范围。(取g=10 m/s2,结果可以保留根号)
正确答案
解:(1)根据动量守恒得:mBv0=(mB+mA)v
解得:v=v0=2 m/s
(2)设B在A的圆弧部分产生的热量为Q1,在A的水平部分产生的热量为Q2。则有:
mBv02=
(mB+mA)v2+Q1+Q2
又Q2=μmBg(LQP+LPR)
联立解得:Q1=0.75 J
(3)当B滑上圆弧再返回至P点时最有可能速度向右,设木块滑至P的速度为vB,此时A的速度为vA,有:
mBv0=mBvB+mAvA
mBv02=
mBvB2+
mAvA2+μmBgL
代入数据得:vB2-0.8v0vB+6.75-0.2v02=0
当vB的两个解一正一负时,表示B从圆弧滑下的速度向右,即需:v0>5.9m/s,故B有可能相对地面向右运动
若要B最终不滑离A,有:
μmBg2L≥mBv02-
(mB+mA)(
v0)2
得:v0≤6.1m/s
故v0的取值范围为:5.9m/s<v0≤6.1m/s
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