- 物体的平衡
- 共5210题
如图所示,长度为l的轻绳上端固定在O点,下端系一质量为m的小球(小球的大小可以忽略)。
(1)在水平拉力F的作用下,轻绳与竖直方向的夹角为α,小球保持静止,画出此时小球的受力图,并求力F的大小。
(2)由图示位置无初速度释放小球,求当小球通过最低点时的速度大小及轻绳对小球的拉力,不计空气阻力。
正确答案
解:(1)进行受力分析如图所示
根据平衡条件,应满足Tcosα=mg,Tsinα=F
解得:拉力大小F=mgtanα
(2)运动中只有重力做功,系统机械能守恒,有:
则通过最低点时,小球的速度大小v=
根据牛顿第二定律,有:
解得轻绳对小球的拉力为:,方向竖直向上
如图所示的木板由倾斜部分和水平部分组成,两部分之间由一段圆弧面相连接,在木板的中间有位于竖直面内的光滑圆槽轨道,斜面的倾角为θ。现有10个质量均为m、半径均为r的均匀刚性球,在施加于1号球的水平外力F的作用下均静止,力F与圆槽在同一竖直面内,此时1号球球心距它在水平槽运动时的球心高度差为h。现撤去力F使小球开始运动,直到所有小球均运动到水平槽内,重力加速度为g。求:
(1)水平外力F的大小;
(2)1号球刚运动到水平槽时的速度;
(3)整个运动过程中,2号球对1号球所做的功。
正确答案
解:(1)以10个小球整体为研究对象,由力的平衡条件可得
得F=10mgtanθ
(2)以1号球为研究对象,根据机械能守恒定律可得
解得v0
(3)撤去水平外力F后,以10个小球整体为研究对象,利用机械能守恒定律可得
10mg(h+sinθ)=
·10mv12
得
以1号球为研究对象,由动能定理得mgh+W=
得W=9mgrsinθ
如图,一质量不计,可上下自由移动的活塞将圆筒分为上下两室,两室中分别封闭有理想气体,筒的侧壁为绝缘体,上底N,下底M及活塞D均为导体并按图连接,活塞面积。在电键K断开时,两室中气体压强均为
,ND间距
,DM间距
,将变阻器的滑片P滑到左端B,闭合电键后,活塞D与下底M分别带有等量异种电荷,并各自产生匀强电场,在电场力作用下活塞D发生移动。稳定后,ND间距
,DM间距
,活塞D所带电量的绝对值
(式中E为D与M所带电荷产生的合场强,常量
)。求:
(1)两室中气体的压强(设活塞移动前后气体温度保持不变);
(2)活塞受到的电场力大小F;
(3)M所带电荷产生的场强大小和电源电压U;
(4)使滑片P缓慢地由B向A滑动,活塞如何运动,并说明理由。
正确答案
解:(1),解得
,解得
(2)根据活塞受力的平衡,
(3)因为E为D与M所带电荷产生的合场强,是M所带电荷产生的场强大小,所以E=2
,所以
,所以
=
,得
。电源电压
(4)因减小,
减小,向下的力
减小,
增大,
增大,向上的力
增大,所以活塞向上移动
用30cm的细线将质量为4.0×10-3kg的带正电小球P(带电量为3.0×10-6C)悬挂在O点下,当空中有水平方向匀强电场时(图中未画),小球偏转37°后处在静止状态,如图所示,试求:
(1)匀强电场的大小和方向;
(2)细线的拉力。(已知g取10m/s2,sin37°=0.60,cos37°=0.80)
正确答案
解:(1)小球受力如图,因带正电,所以场强方向为水平向右
小球受力平衡,在水平方向:
代人得:E=1.0×104N/C
(2)由受力图可知:
代人得:F=5.0×10-2N
用30 cm的细线将质量为4×10-3 kg的带电小球P悬挂起来,当空中有方向为水平向右,大小为1×104 N/C的匀强电场时,小球偏转37°后处在静止状态。求:
(1)分析小球的带电性质;
(2)求细线的拉力;
(3)小球的带电量。
正确答案
解:(1)因受电场力方向与场强同向,所以该小球带正电
(2),
(3),
如图所示的木板由倾斜部分和水平部分组成,两部分之间由一段圆弧面相连接。在木板的中间有位于竖直面内的光滑圆槽轨道,斜面的倾角为。现有10个质量均为、半径均为的均匀刚性球,在施加于1号球的水平外力的作用下均静止,力与圆槽在同一竖直面内,此时1号球球心距它在水平槽运动时的球心高度差为。现撤去力使小球开始运动,直到所有小球均运动到水平槽内。重力加速度为。求:
(1)水平外力的大小;
(2)1号球刚运动到水平槽时的速度;
(3)整个运动过程中,2号球对1号球所做的功。
正确答案
解:(1)以10个小球整体为研究对象,由力的平衡条件可得
tan=得=10tan。
(2)以1号球为研究对象,根据机械能守恒定律可得
解得=。
(3)撤去水平外力后,以10个小球整体为研究对象,利用机械能守恒定律可得
2
得以1号球为研究对象,由动能定理得得。
如图所示,长度为ι的轻绳上端固定在O点,下端系一质量为m的小球(小球的大小可以忽略)。
(1 )在水平拉力F 的作用下,轻绳与竖直方向的夹角为α,小球保持静止,画出此时小球的受力图,并求力F 的大小。
(2 )由图示位置无初速度释放小球,求当小球通过最低点时的速度大小及轻绳对小球的拉力,不计空气阻力。
正确答案
解:(1)受力分析如图,
根据平衡条件,
所以拉力大小
(2)只有重力做功,机械能守恒,有:
通过最低点时速度大小
根据牛顿第二定律,有:
解得通过最低点时拉力:,方向竖直向上
如图示,电荷量均为q,质量分别为m、3m的小球A 和B中间连接质量不计的细线,在竖直向上的匀强电场中,以速度匀速上升,不计两带电小球间的库仑力作用及空气阻力,求:
(1)电场强度大小及绳的张力。
(2)若某时刻细绳断开,则绳子断开后B球速度为零时,A球速度多大?
(3)若绳子断开瞬间电场强度反向,A经时间与B相碰,则绳长为多少?此时间内两球组成的系统的机械能增量为多少?
正确答案
解:(1)取A、B为整体,由平衡条件得,即
隔离A(或B)则有,所以绳的张力为
(2)将A、B视为整体,因系统合外力为零,所以系统动量守恒,
则有:,得
(3)绳子断开瞬间电场强度反向后,A、B均做类似竖直上抛运动,且A、B的加速度分别为:
,
由知小球A、B经时间发生的位移分别为:
(负号表示在抛出点下方)
所以绳长为
此时间内两球组成的系统的机械能增量为。
把质量为2.0克的带负电的小球A,用绝缘细绳悬挂起,若将带电量为Q=4.0×10-6库的带电小球B靠近A,如图所示。当两个带电小球在同一高度相距30厘米时,绳与竖直方向恰成45o角。求:
(1)B球受的库仑力;
(2)A球的带电量是多少?
正确答案
(1)0.02N
(2)5×10-8C
一根长为l的线吊着一质量为m的带电量为q的小球静止在水平向右的匀强电场中,如图所示,线与竖直方向成37°角,现突然将该电场方向变为向下且大小不变,不考虑因电场的改变而带来的其他影响,(重力加速度为g),求:
(1)匀强电场的电场强度的大小;
(2)求小球经过最低点时线的拉力.
正确答案
:(1)小球平衡时受到绳子的拉力、重力和电场力,
由平衡条件得:mgtan37°=qE
解得:E=
(2)电场方向变成向下后,重力和电场力都向下,
两个力做功,小球开始摆动做圆周运动
由动能定理:mv2=(mg+qE)L(1-cos37°)
在最低点时绳子的拉力、重力和电场力的合力提供向心力,T-(mg+qE)=m
解得:T=(mg+qE)+m =
答:(1)匀强电场的电场强度E=;
(2)mg.
如图所示,一根长为L不可伸长的绝缘细丝线一端固定于O点,另一端系住一质量为m的带电小球。将此装置放在水平向右的匀强电场E中,待小球稳定后细丝线跟竖直方向夹角为α,问:
(1)小球带什么电?电量是多少?
(2)若保持小球带电量不变,用外力将小球缓慢拉到竖直方向的最低点,则外力对小球做多少功?
正确答案
解:(1)带电小球在匀强电场和重力场中受力平衡,判定它受电场力方向与E的方向相同,小球带正电
解出
(2)因电场力、重力做功只由起始和终止位置决定而与路径无关
设带电小球在起始位置时,重力势能和电势能均为0,将带电小球从起始位置缓慢移到终止位置的过程中,外力做功为W,应等于小球电势能和重力势能变化量之和
W
如图所示,用长L=0.50m的绝缘轻质细线,把一个质量m=1.0g带电小球悬挂在带等量异种电荷的平行金属板之间,平行金属板间的距离d=5.0cm,两板间电压U=1.0×103V。静止时,绝缘线偏离竖直方向θ角,小球偏离竖直距离a=1.0cm。(θ角很小,为计算方便可认为tanθ≈sinθ,取g=10m/s2,需要求出具体数值,不能用θ角表示)求:
(1)两板间电场强度的大小;
(2)小球带的电荷量;
(3)若细线突然被剪断,小球在板间如何运动?
正确答案
解:(1)E==2.0×104 V/m
(2)受力平衡qE=mgtanθ,得q==1.0×10-8 C
(3)小球做初速度为零的匀加速直线运动
如图所示,平行的两金属板M、N与电源相连,一个带负电的小球悬挂在两板间,闭合开关后,悬线偏离竖直方向的角度为θ。若保持开关闭合,将N板向M板靠近,θ角将_____;若把开关断开,再使N板向M板靠近,θ角将______。(填“变大”、“变小”或“不变” )
正确答案
变大,不变
如图所示为美国物理学家密立根测量油滴所带电荷量装置的截面图,两水平旋转的平行金属板间距离为d。油滴从喷雾器的喷嘴喷出时,由于与喷嘴摩擦而带负电。油滴散布在油室中,在重力作用下,少数油滴通过上面金属板的小也进入平行金属板间。当平行金属板间不加电压时,由于受到气体阻力的作用,油滴最终以速度v1竖直向下匀速运动;当上板带正电下板带负电,两板间的电压为U时,带电油滴恰好以速度v2竖直向上匀速运动。已油滴的直径为D(油滴要看作球体,球体体积),重力加速度为g。
(1)设油滴受到气体的阻力f=kv,其中k为阻力系数,求k的大小;
(2)求油滴所带电荷量。
正确答案
解:(1)油滴速度为时所受阻力
,油滴向下匀速运动时,重力与阻力平衡,有
f1=mg
则
(2)设油滴所带电荷量为q,油滴受到的电场力
油滴向上匀速运动时,阻力向下,油滴受力平衡
则油滴所带电荷量
一个带正电的微粒,从A点射入水平方向的匀强电场中,微粒沿直线AB运动,如图,AB与电场线夹角θ=30°,已知带电微粒的质量m=1.0×10-7kg,电量q=1.0×10-10C,A、B相距L=20cm。(取g=10m/s2 ,结果保留二位有效数字)求:
(1)说明微粒在电场中运动的性质,要求说明理由。
(2)电场强度的大小和方向?
(3)要使微粒从A点运动到B点,微粒射入电场时的最小速度是多少?
正确答案
解:(1)微粒只在重力和电场力作用下沿AB方向运动,在垂直于AB方向上的重力和电场力必等大反向,可知电场力的方向水平向左,微粒所受合力的方向由B指向A,与初速度vA方向相反,微粒做匀减速运动。
(2)在垂直于AB方向上,有qEsinθ-mgcosθ=0
所以电场强度E=1.7×104N/C ,电场强度的方向水平向左。
(3)微粒由A运动到B时的速度vB=0时,微粒进入电场时的速度最小,
由动能定理得, mgLsinθ+qELcosθ=
代入数据,解得vA=2.8m/s
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