- 单摆
- 共2503题
如图所示,在O点悬有一细绳,绳上串着一个小球B,并能顺着绳子滑下,在O点正下方有一半径为R的光滑圆弧轨道,圆心位置恰好在O点,在弧形轨道上接近处有另一个小球A,令A、B两球同时开始无初速释放,假如A球第一次到达平衡位置时正好能够和B球碰上,则B球与绳之间的摩擦力与B球重力大小之比是多少?(计算时取,
)
正确答案
解:圆弧轨道运动的小球A接近运动,故可看做单摆模型。
A球作简谐运动,由周期公式得A到的时间
B球作匀变速运动从O到的时间为,由题意得
,即
,
解得,
对于小球B,由牛顿第二定律得:
得:。
如图所示,质量为m的小球用长度为L的轻质细绳悬挂于O点,现将它拉至A处,使细绳与竖直方向的夹角为θ(θ<5°),然后无初速释放,不计空气阻力作用,它经过一段时间第一次到达最低点B.
求:(1)所经历的时间t
(2)该过程中重力产生的冲量大小IG
(3)该过程中小球的动量变化△P
(4)该过程中绳的拉力产生的冲量大小IF.
正确答案
(1)由单摆的周期公式可得:
T=2π--------------------------------①
由A第一次到B,小球所用时间是四分之一周期,即:t=T=
------②
(2)由于重力是恒力,由冲量定义可知重力的冲量为:IG=mgt=πm
----------------③
(3)动量的变化等于末动量减去初动量:△P=PB-PA------------------------------④
又PA=0--------------------------------⑤
PB=mvB---------------------------------⑥
从A到B的过程中,由机械能守恒定律得:m
=mgL(1-cosθ)--------------⑦
由④⑤⑥⑦,可解得:△P=m------------------⑧
(1)从A到B的过程中,小球在重力和绳的拉力的冲量作用下,动量的改变量为△P,且方向水平,又因重力的冲量方向向下,所以由矢量的合成法则得:
IF2=△P2+IG2----------------------------⑨
由③⑧⑨式得:IF=m.
答:(1)所经历的时间t为.
(2)该过程中重力产生的冲量大小IG为πm
.
(3)该过程中小球的动量变化△P为m.
(4)该过程中绳的拉力产生的冲量大小IF为m.
某同学用一个光滑的半圆形轨道和若干个大小相等、可视为质点的小球做了三个有趣的实验,轨道固定在竖直平面内,且两端同高。第一次,他将一个小球从离轨道最低点的竖直高度处由静止沿轨道下滑(远小于轨道半径),用秒表测得小球在轨道底部做往复运动的周期为;第二次,他将小球放在轨道的最低点,使另一个小球从轨道最高点由静止沿轨道滑下并与底部的小球碰撞,结果小球返回到原来高度的1/4,小球也上滑到同样的高度;第三次,用三个质量之比为m1:m2:m3=5:3:2的小球做实验,如图所示,先将球2和3放在轨道的最低点,球1从某一高度由静止沿轨道下滑,它们碰后上升的最大高度分别为1、2和3,不考虑之后的碰撞。设实验中小球间的碰撞均无能量损失。重力加速度为。求:
(1)半圆形轨道的半径;
(2)第二次实验中两小球的质量之比mA:mB;
(3)第三次实验中三个小球上升的最大高度之比h1:h2:h3。
正确答案
解:(1)第一次实验中,小球的运动可以看做摆长为的单摆,根据单摆周期公式有:
所以
(2)第二次实验中,球从高为处释放,设球与球碰撞前瞬间的速度大小为,碰撞后瞬间它们速度的大小分别为和。由题意知,球与碰后达到的高度均为,根据机械能守恒定律有
所以;
又根据动量守恒定律有
所以
(3)根据题意设球1、2、3的质量分别为5、3和2。设球1与球2碰撞前后的速度分别为1、v1',球2与球3碰撞前后的速度分别为、v2',球3与球2碰撞后的速度为v3。球1与球2碰撞过程中动量守恒,且机械能守恒,则有
解得
球2与球3碰撞过程中动量守恒,且机械能守恒,则有
解得
在三个小球的上升过程中,根据机械能守恒定律有
解得
(I)(1)如图甲所示,在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,同组同学已经完成部分导线的连接,请你在实物接线图中完成余下导线的连接.
(2)某同学从标称为“220V 25W”“220V 300W”“220V 500W”的3只灯泡中任选一只,正确使用多用电表测量灯泡阻值如图乙所示.该灯泡的阻值是______Ω,标称的额定功率为______W.
(II)(1)在“探究单摆周期与摆长的关系”实验中,两位同学用游标卡尺测量小球的直径如图甲、乙所示.测量方法正确的是______(选填“甲”或“乙”).
(2)实验时,若摆球在垂直纸面的平面内摆动,为了将人工记录振动次数改为自动记录振动次数,在摆球运动最低点的左、右两侧分别放置一激光光源与光敏电阻,如图甲所示.光敏电阻与某一自动记录相连,该仪器显示的光敏电阻阻值R随时间t变化图线如图乙所示,则该单摆的振动周期为______.若保持悬点到小球顶点的绳长不变,改用直径是原小球直径2倍的另一小球进行实验,则该单摆的周期将______(填“变大”、“不变”或“变小”),图乙中的△t将______(填“变大”、“不变”或“变小”).
正确答案
(I)(1)由题意可知,应采用分压接法,因灯泡内阻较小,故应采用电流表外接法; 故答案如下图所示:
(2)欧姆表的指示值为16,所选倍率为×10,因此读数为R=16×10=160Ω,由于灯泡正常工作时的电阻为:R=,比不工作时的电阻大的多,而“220 V 25 W”、“220 V 300 W”、“220V 500W”正常工作时的电阻分别为1936Ω、161Ω和98Ω.故为25W.
故答案为:160,25
(II)(1)用游标卡尺测量小球的直径,应将小球卡在外爪的刀口上.故乙正确.
故答案为:乙.
(2)单摆在一个周期内两次经过平衡位置,每次经过平衡位置,单摆会挡住细激光束,从R-t图线可知周期为2t0.摆长等于摆线的长度加上小球的半径,根据单摆的周期公式单摆公式T=2π摆长变大,所以周期变大.
故答案为:2t0,变大,变大.
将一测力传感器连接到计算机上就可以测量快速变化的力,如图甲中O点为单摆的固定悬点,现将小摆球(可视为质点)拉至A点,此时细线处于张紧状态,释放摆球,则摆球将在竖直平面内A、B、C之间来回摆动,其中B点为运动中的最低位置,∠COB=θ,θ小于5°且未知。图乙表示由计算机得到的细线对摆球的拉力大小F随时间t变化的曲线,且图中t=0时刻为摆球从A点开始运动的时刻,试根据力学规律和题中(包括图中)所给的信息求:(g取10 m/S2)
(1)单摆的振动周期和摆长。
(2)摆球的质量。
(3)摆球运动过程中的最大速度。
正确答案
解:(1)在A、C两点细线拉力最小,由题图可得周期为0.4πs
再根据,求出摆长l=0.4 m
(2)设摆球质量为m,以F1、F2分别表示最大和最小拉力,则
F2=mgcosθ,F1-mg=,v2B=2gl(1-cosθ)
综合解得
(3)由F1-mg=,得
在一加速系统中有一摆长为l的单摆。
(1)当加速系统以加速度a竖直向上做匀加速运动时,单摆的周期多大?若竖直向下加速呢?
(2)当加速系统在水平方向以加速度a做匀加速直线运动时,单摆的周期多大?
正确答案
(1)
(2)
我国探月的“嫦娥工程”已启动,在不久的将来宇航员将登上月球。假如宇航员的质量为m,他在月球上测得摆长为的单摆做小振幅振动的周期为T,将月球视为密度均匀、半径为r的球体,引力恒量为G,则宇航员在月球上的“重力”为____________;月球的密度为____________。
正确答案
,
关于单摆的运动,下列说法中正确的是( )
正确答案
A、单摆在运动过程中的回复力是重力沿圆弧方向上切向分力.故A错误.
B、对于单摆,在平衡位置,回复力为0,合力不为0.拉力和重力的合力提供圆周运动的向心力.故B错误,C正确.
D、摆球摆动过程中,经过最大位移处,受重力和拉力,合力不为0.故D错误.
故选C.
有一单摆做简谐振动的振动图象如图所示,当地的重力加速度为g=10m/s2,π2≈10。求:
(1)单摆的摆长;
(2)写出对应的振动方程;
(3)由回复力产生的最大加速度大小为a1,t=1.25s时由回复力产生的加速度大小为a2,a1:a2是多少?
正确答案
解:(1)由图可知:周期T=2s
根据,可解得L=1m
(2)x=5sinπt cm
(3)a与x大小成正比
a1:a2=A:x=:1
将一摆长为2m的单摆放在某一星球表面,测得完成60次全振动所用时间为120s,求:
(1)该星球表面的重力加速度;
(2)若该星球的半径与地球半径相同,则地球与该星球的质量之比是多少?(地球表面的重力加速度为g=10m/s2,取π2=10)
正确答案
解:(1)单摆的振动周期T==2s
根据单摆的周期公式T=2π
得g==
=20m/s2
(2)物体在星球表面受到的重力等于星球对它的万有引力mg=
因此有
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