- 动量守恒定律
- 共6910题
如图所示,地面和半圆轨道面均光滑。质量 = 1kg、长 = 4m的小车放在地面上,其右端与墙壁的距离为=3m,小车上表面与半圆轨道最低点P的切线相平。现有一质量 = 2kg的滑块(不计大小)以0= 6m/s的初速度滑上小车左端,带动小车向右运动。小车与墙壁碰撞时即被粘在墙壁上,已知滑块与小车表面的滑动摩擦因数μ= 0.2,取10m/s2。
(1)求小车与墙壁碰撞时的速度;
(2)要滑块能沿圆轨道运动而不脱离圆轨道,求半圆轨道的半径的取值。
正确答案
解:(1)滑块与小车的共同速度为1,滑块与小车相对运动过程中动量守恒,有
0=(+)1
代入数据解得1=4m/s
设滑块与小车的相对位移为,由系统能量守恒定律,有
μ1 =
代入数据解得1=3m
设与滑块相对静止时小车的位移为1,根据动能定理,有
μ1=
代入数据解得1=2m
因1<,1<,说明小车与墙壁碰撞前滑块与小车已具有共同速度,且共速时小车与墙壁还未发生碰撞,故小车与碰壁碰撞时的速度即1=4m/s
(2)滑块将在小车上继续向右做初速度为1=4m/s,位移为2=-1=1m的匀减速运动,然后滑上圆轨道的最低点P
若滑块恰能滑过圆的最高点,设滑至最高点的速度为,临界条件为=
根据动能定理,有2-
①②联立并代入数据解得 = 0.24m
若滑块恰好滑至圆弧到达T点时就停止,则滑块也能沿圆轨道运动而不脱离圆轨道
根据动能定理,有2-
代入数据解得 = 0.6m
综上所述,滑块能沿圆轨道运动而不脱离圆轨道,半圆轨道的半径必须满足≤0.24m或≥0.6m
如图所示,静置于水平地面的三辆手推车沿一直线排列,质量均为m。人在极短时间内给第一辆车一水平 冲量使其运动,当车运动了距离L时与第二车相碰,两车以共同速率继续运动了距离L时与第三车相碰,三车以共同速度又运动了距离L时停止.车运动时受到的摩擦阻力恒为车所受重力的k倍,重力加速度为g,若车与车之间仅在碰撞时发生相互作用,碰撞时间很短,忽略空气阻力,求:
(1)整个过程中摩擦阻力所做的总功。
(2)人给第一辆车水平冲量的大小。
(3)第一次与第二次碰撞系统动能损失之比。
正确答案
解:(1)设运动过程中摩擦阻力做的总功为W,则
W=-kmgL-2kmgL-3kmgL=-6kmgL
(2)设第一车初速度为u0,第一次碰前速度为v1,碰后共同速度为u1;第二次碰前速度为v2,碰后共同速度为u2;人给第一车的水平冲量大小为I
由
mv1=2mu1
2mv2=3mu2
得:
(3)设两次碰撞中系统动能损失分别为△Ek1和△Ek2由,
得△Ek1:△Ek2=13 : 3
如图所示,在足够长的光滑水平轨道上有三个小木块A、B、C,质量分别为mA、mB、mC,且mA=mB=1.0kg,mC=2.0kg,其中B与C用一个轻弹簧拴接在一起,开始时整个装置处于静止状态。A和B之间有少许塑胶炸药,A的左边有一个弹性挡板。现在引爆塑胶炸药,若炸药爆炸产生的能量中有E=9.0J转化为A和B的动能,A和B分开后,A恰好在B、C之间的弹簧第一次恢复到原长时追上B,并且与B发生碰撞后粘在一起。忽略小木块和弹性挡板碰撞过程中的能量损失。求:
(1)塑胶炸药爆炸后瞬间A与B的速度各为多大?
(2)在A追上B之前弹簧弹性势能的最大值;
(3)A与B相碰以后弹簧弹性势能的最大值。
正确答案
解:(1)塑胶炸药爆炸瞬间取A和B为研究对象,假设爆炸后瞬间A、B的速度大小分别为vA、vB,取向右为正方向,由动量守恒定律-mAvA+mBvB=0
爆炸产生的热量有9J转化为A、B的动能
代入数据解得vA=vB=3.0 m/s
(2)由于A在炸药爆炸后再次追上B的时候弹簧恰好第一次恢复到原长,则在A追上B之前弹簧已经有一次被压缩到最短(即弹性势能最大)。爆炸后取B、C和弹簧为研究系统,当弹簧第一次被压缩到最短时B、C达到共速vBC,此时弹簧的弹性势能最大,设为Ep1由动量守恒定律,得mBvB=(mB+mC)vBC
由机械能守恒,得
代入数据得EP1=3.0 J
(3)设B、C之间的弹簧第一次恢复到原长时B、C的速度大小分别为vB1和vC1,则由动量守恒定律和能量守恒定律mBvB=mBvB1+mCvC1
代入数据解得vB1=-1.0m/s,vC1=2.0m/s
A爆炸后先向左匀速运动,与弹性挡板碰撞以后速度大小不变,反向弹回。当A追上B,发生碰撞瞬间达到共速vAB,由动量守恒定律mAvA+mBvB1=(mA+mB)vAB
解得vAB=1.0m/s
当A、B、C三者达到共同速度vABC时,弹簧的弹性势能最大为EP2由动量守恒定律,得(mA+mB)vAB+mCvC1=(mA+mB+mC)vABC
由机械能守恒定律,得
代入数据解得EP2=0.5J
如图,在光滑的水平面上有一辆很长的小车以速度v向右运动,小车的质量为M,前方很远的地方有一与车等高的竖直光滑半径为R的半圆,直径AB在竖直方向上。现在有一个质量为m的滑块以同样的速度为v冲上小车,已知车的质量大于滑块的质量,滑块与车之间的动摩擦因数为μ。求:
(1)滑块的最终速度;
(2)滑块向左运动的最远距离;
(3)如果滑块冲上小车的瞬间,车与B的距离为,且M=3m,M与B处碰后立即停下,滑块能否通过A点?若能,求出滑块落点到B的距离。
正确答案
解:(1)对Mm:相互作用过程,动量守恒,以向右为参考正方向:
,方向向右
(2)对m:向左运动过程,vt=0时,向左最远
(3)对M:从v到v1的过程:,
∵S>S1∴m与M相对静止后,M与B相碰
对Mm:从v到v1的过程:m相对M发生位移为L:
或
碰后,对m:从v1到最高点:
∵<
∴m无法到达B,无法通过A点
如图,绝缘水平地面上有宽L=0.4 m的匀强电场区域,场强E=6×105 N/C、方向水平向左,不带电的物块B静止在电场边缘的O点,带电量q=5×10-8 C、质量mA=1×10-2 kg的物块A在距O点s=2.25 m处以v0=5 m/s的 水平初速度向右运动,并与B发生碰撞,假设碰撞前后A,B构成的系统没有动能损失。A的质量是B的k(k>1)倍,A,B与地面间的动摩擦因数都为μ=0.2,物块均可视为质点,且A的电荷量始终不变,取g=10 m/s2。
(1)求A到达O点与B碰撞前的速度大小;
(2)求碰撞后瞬间A和B的速度大小;
(3)讨论k在不同取值范围时电场力对A做的功。
正确答案
解:(1)设碰撞前A的速度为v,由动能定理
①
得 ②
(2)设碰撞后A,B速度分别为vA,vB,且设向右为正方向;由于弹性碰撞,所以有
mAv=mAvA+mBvB ③
④
联立③④并将mA=kmB及v=4 m/s代入得 ⑤,
⑥
(3)讨论:
Ⅰ、如果A能从电场右边界离开,必须满足 ⑦
联立⑤⑦代入数据,得k>3 ⑧
电场力对A做功为WE=qEL=6×105×5×10-8×0.4 J=1.2×10-2 J ⑨
Ⅱ、如果A不能从电场右边界离开电场,必须满足 ⑩
联立⑤⑩代入数据,得k≤3
考虑到k>1,所以在1<k≤3范围内A不能从电场右边界离开
又qE=3×10-2 N>μmg=2×10-2 N
所以A会返回并从电场的左侧离开,整个过程电场力做功为0,即WE=0
如图所示,长木板A上右端有一物块B,它们一起在光滑的水平面上向左做匀速运动,速度v0=2.0 m/s。A左侧有一个与A等高的固定物体C。已知A的质量为mA=1.0 kg,物块B的质量为mB=3.0 kg,B与A间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10 m/s2。求:
(1)若A足够长,A与C第一次碰撞后,A立即与C粘在一起,求B在A上滑行的距离L应是多少;
(2)若A足够长,A与C发生碰撞后弹回(碰撞时间极短,没有机械能损失),求第一次碰撞后A、B具有的共同运动速度;
(3)若A长为0.51 m,且A与C每次碰撞均无机械能损失,求A与C碰撞几次,B可脱离A?
正确答案
解:(1)A与C碰撞后速度变为0,而B将继续运动,受摩擦力作用,速度由v0减到0,由动能定理
(2)A与C发生碰撞后的瞬间,速度大小仍为v0,方向向右,以A、B为研究对象,设A、B有共同的速度v,水平方向不受外力作用,系统动量守恒,设向左为正,则mBv0-mAv0=(mA+mB)v
,方向水平向左
(3)第一次A与C碰后,A、B有共同的速度v,B在A上相对于A滑行L1,则
,L1=0.40 m
第二次A与C碰后至A、B有共同的速度v',B在A上相对于A滑行L2,则
mBv-mAv=(mA+mB)v',
由以上两式,可得L2=0.10 m
设第三次A与C碰后,A、B仍有共同的速度v'',B在A上相对于A 滑行L3,则
mBv'-mAv'=(mA+mB)v'',
由以上两式,可得L3=0.025 m
则L1+L2+L3=0.525m>0.51 m
即第三次碰后B可以脱离A
如图所示,长为L的细绳竖直悬挂着一质量为2m的小球A,恰好紧挨着放置在水平面上质量为m的物块B。现保持细绳绷直,把小球向左上方拉至细绳与竖直方向成60°的位置,然后释放小球。小球到达最低点时恰好与物块发生碰撞,而后小球向右摆动的最大高度为L/8,物块则向右滑行了L的距离而静止,求物块与水平面间的动摩擦因数μ。
正确答案
解:对小球下摆过程分析,根据机械能守恒: ①
对小球上摆过程分析,根据机械能守恒: ②
对小球和物块碰撞瞬间分析,根据动量守恒: ③
由①②③式解得: ④
对碰后物块分析,根据动能定理: ⑤
由④⑤解得物块与水平面间的动摩擦因数μ=0.5
如图所示,一根跨越一固定水平光滑细杆的轻绳两端拴有两个质量均为m的小球a和b(可视为质点), Oa段的长度为L1,Ob段的长度为L2,且L1>L2,球a置于地面,球b被拉到与细杆同一水平的位置,在绳刚拉直时放手,小球b从静止状态向下摆动,当球b摆到最低点时,恰好与球a在同一水平位置发生碰撞并粘合在一起,设碰撞时间极短,往后两球以O点为圆心做圆周运动,若已知碰前瞬间球a的速度大小为va,方向竖直向上,轻绳不可伸长且始终处于绷紧状态,(已知a,b质量相同)求:
(1)球b在碰撞前瞬间的速度大小;
(2)两小球粘合后将做圆周运动时绳中张力的大小。
正确答案
解:(1)由系统机械能守恒得
得,方向斜向下
(2)当球b运动到最低点时,其竖直方向的速度与va大小相等,方向相反(因为绳长不变),球b在水平方向的速度
而与球a在水平方向碰撞动量守恒,有mvbx=2mv
设绳中张力为T,由牛顿第二定律得
解得
如图,长木板ab的b端固定一挡板,木板连同挡板的质量为M="4.0" kg,a、b间距离s="2.0" m.木板位于光滑水平面上.在木板a端有一小物块,其质量m="1.0" kg,小物块与木板间的动摩擦因数μ=0.10,它们都处于静止状态.现令小物块以初速v0="4.0" m/s 沿木板向前滑动,直到和挡板相碰.碰撞后,小物块恰好回到a端而不脱离木板.求碰撞过程中损失的机械能.
正确答案
2.4 J
设木板和物块最后共同的速度为v,由动量守恒定律mv0=(m+M)v
全过程损失的机械能为E=mv02-
(m+M)v2
全过程由于摩擦生热而损失的机械能E1=μmg·2s
由能量守恒定律得碰撞过程中损失的机械能E2=E-E1
代入数据得E2="2.4" J
【选修3-5选做题】
如图所示,在光滑的水平桌面上有一长为=2 m的木板,它的两端各有一块挡板,的质量为=5 kg,在的中央并排放着两个可视为质点的滑块与,其质量分别为=1 kg、=4 kg,开始时、、均处于静止状态,并且、间夹有少许炸药,炸药爆炸使得以=6 m/s的速度水平向左运动,不计一切摩擦,两滑块中任一块与挡板碰撞后就与挡板合成一体,爆炸与碰撞时间不计,求:
(1)当两滑块都与挡板碰撞后,板的速度多大?
(2)从爆炸开始到两个滑块都与挡板碰撞为止,板的位移多大?方向如何?
正确答案
解:炸药爆炸,滑块A与B分别获得向左和向右的速度,由动量守恒可知,A的速度较大(A的质量小),A、B均做匀速运动,A先与挡板相碰合成一体(满足动量守恒)一起向左匀速运动,最终B也与挡板相碰合成一体(满足动量守恒),整个过程满足动量守恒
(1)整个过程A、B、C系统动量守恒,有:
解得:
(2)炸药爆炸,A、B获得的速度大小分别为、
,以向左为正方向,有:
解得:,方向向右
然后A向左运动,与挡板相撞并合成一体,共同速度大小为,由动量守恒,有:
解得:
此过程持续的时间为:
此后,设经过t2时间B与挡板相撞并合成一体,则有:
解得:t2=0.3 s
板C的总位移为:,方向向左
如图所示,坡道顶端距水平面高度为h,质量为m1的小物块A从坡道顶端由静止滑下,进入水平面上的滑道时无机械能损失,为使A制动,将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上,一端与质量为m2档的板B相连,弹簧处于原长时,B恰位于滑道的末端O点。A与B撞时间极短,碰后结合在一起共同压缩弹簧,已知在OM段A、B 与水平面间的动摩擦因数均为μ,其余各处的摩擦不计,重力加速度为g,求
(1)物块A在与挡板B碰撞前瞬间速度v的大小;
(2)弹簧最大压缩量为d时的弹性势能Ep(设弹簧处于原长时弹性势能为零)。
正确答案
解:(1)由机械能守恒定律,有 ①
②
(2)A、B在碰撞过程中内力远大于外力,由动量守恒,有 ③
A、B克服摩擦力所做的功 ④
由能量守恒定律,有 ⑤
解得 ⑥
如图所示,竖直放置的圆弧轨道和水平轨道两部分相连。水平轨道的右侧有一质量为2m的滑块C与轻质弹簧的一端相连,弹簧的另一端固定在竖直的墙M上,弹簧处于原长时,滑块C静止在P点处;在水平轨道上方O处,用长为L的细线悬挂一质量为m的小球B,B球恰好与水平轨道相切,并可绕O点在竖直平面内摆动。质量为m的滑块A由圆弧轨道上静止释放,进入水平轨道与小球B发生碰撞,A、B碰撞前后速度发生交换。P点左方的轨道光滑、右方粗糙,滑块A、C与PM段的动摩擦因数均为μ=0.5,A、B、C均可视为质点,重力加速度为g。
(1)求滑块A从2L高度处由静止开始下滑,与B碰后瞬间B的速度;
(2)若滑块A能以与球B碰前瞬间相同的速度与滑块C相碰,A至少要从距水平轨道多高的地方开始释放?
(3)在(2)中算出的最小值高度处由静止释放A,经一段时间A与C相碰,设碰撞时间极短,碰后一起压缩弹簧,弹簧最大压缩量为L,求弹簧的最大弹性势能。
正确答案
解:(1)对A,由机械能守恒得:mg2L=
vA=2
与B碰后速度交换,vB1=vA=2
(2)要使滑块A能以与B碰前瞬间相同的速度与C碰撞,必须使小球B受A撞击后在竖直平面内完成一个完整的圆周运动后从左方撞击A,使A继续向右运动
设A从距水平面高为H的地方释放,与B碰前的速度为v0对A,由机械能守恒得:
设小球B通过最高点的速度为vB,则它通过最高点的条件是:
小球B从最低点到最高点的过程机械能守恒:
解得:H
(3)从这个高度下滑的A与C碰撞前瞬间速度:
设A与C碰后瞬间的共同速度为v,由动量守恒:
A、C一起压缩弹簧,由能量守恒定律。有:
解得:
如图所示,在同一竖直面上,质量为2m的小球A静止在光滑斜面的底部,斜面高度为H=2L。小球受到弹簧的弹性力作用后,沿斜面向上运动。离开斜面后,达到最高点时与静止悬挂在此处的小球B发生弹性碰撞,碰撞后球B刚好能摆到与悬点O同一高度,球A沿水平方向抛射落在水平面C上的P点,O点的投影O'与P的距离为L/2。已知球B质量为m,悬绳长L,视两球为质点,重力加速度为g,不计空气阻力,求:
(1)球B在两球碰撞后一瞬间的速度大小;
(2)球A在两球碰撞前一瞬间的速度大小;
(3)弹簧的弹性力对球A所做的功。
正确答案
解:(1)碰撞后,根据机械能守恒定律,对B球有:
解得:
(2)A、B球碰撞有:
解得:,
(3)碰后A球做平抛运动,设平抛高度为y,有:
,
解得:y=L
对A球应用动能定理得:
解得:
如图所示,小球A系在细线的一端,线的另一端固定在O点,O点到水平面的距离为h,物块B质量是小球的5倍,置于粗糙的水平面上且位于O点正下方,物块与水平面间的动摩擦因数为μ。现拉动小球使线水平伸直,小球由静止开始释放,运动到最低点时与物块发生正碰(碰撞时间极短),反弹后上升至最高点时到水平面的距离为h/16。小球与物块均视为质点,不计空气阻力,重力加速度为g,求物块在水平面上滑行的时间t。
正确答案
解:设小球的质量为m,运动到最低点与物块碰撞前的速度大小为v1,取小球运动到最低点重力势能为零,根据机械能守恒定律,有 ①
得
设碰撞后小球反弹的速度大小为v1',同理有 ②
得
设碰后物块的速度大小为v2,取水平向右为正方向,根据动量守恒定律,有mv1=-mv1'+5mv2 ③
得 ④
物块在水平面上滑行所受摩擦力的大小F=5μmg ⑤
设物块在水平面上滑行的时间为t,根据动量定理,有-Ft=0-5mv2 ⑥
得 ⑦
如图所示,固定在地面上的光滑圆弧面与车C的上表面平滑相接,在圆弧面上有一个滑块A,其质量为mA=2kg,在距车的水平面高h=1.25m处由静止下滑,车C的质量为mC=6kg,在车C的左端有一个质量mB=2kg的滑块B,滑块A与B均可看作质点,滑块A与B碰撞后粘合一起共同运动,最终没有从车C上滑出,已知滑块A和B与车C的动摩擦因数均为,车C与水平地面的摩擦忽略不计。取g= 10m/s2。求:
(1)滑块A滑到圆弧面末端时的速度大小;
(2)滑块A与B碰撞后瞬间的共同速度的大小;
(3)车C的最短长度。
正确答案
解:(1)设滑块A滑到圆弧未端时的速度大小为v1,由机械能守恒定律有
①
代入数据解得②
(2)设A、B碰后瞬间的共同速度为v2,滑块A与B碰撞瞬间与车C无关,滑块A与B组成的系统动量守恒
③
代入数据解得④
(3)设车C的最短长度为L,滑块A与B最终没有从车C上滑出,三者最终速度相同设为v3根据动量守恒定律有⑤
根据能量守恒定律有⑥
联立⑤⑥式代入数据解得m⑦
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