- 动量守恒定律
- 共1004题
“蹦床”已成为奥运会的比赛项目。质量为m的运动员从床垫正上方h1高处自由落下,落垫后反弹的高度为h2,设运动员每次与床垫接触的时间为t,求在运动员与床垫接触的时间内运动员对床垫的平均作用力。(空气阻力不计,重力加速度为g)
某同学给出了如下的解答:
设在时间t内,床垫对运动员的平均作用力大小为F,运动员刚接触床垫时的速率为v1,刚离开床垫时的速率为v2,则由动量定理可知
①
②
由机械能守恒定律分别有
,
③
,
④
由①②③④式联立可得 ⑤
该同学解答过程是否正确?若不正确,请指出该同学解答过程中所有的不妥之处,并加以改正。
正确答案
解:此同学解答有如下错误:
(1)原解法中②式中未注意动量的矢量性
正确的表达式为:规定竖直向上方向为正,
(2)①式中冲量应为合外力的冲量,即垫对运动员的作用力和重力的合力冲量
正确的表达式为:
(3)题中所求F为床垫对运动员的作用力,而题要求运动员对床垫的作用力
正确的表述为:由牛顿第三定律可得
运动员对床垫的作用力大小:
(4)未说明运动员对床垫作用力的方向,应给出“运动员对床垫作用力的方向竖直向下”
起跳摸高是学生常进行的一项活动.某中学生身高1.80m,质量70kg.他站立举臂,手指摸到的高度为2.10m.在一次摸高测试中,如果他先下蹲,再用力蹬地向上跳起,同时举臂,离地后手指摸到的高度为2.25m.设他从蹬地到离开地面所用的时间为0.7s.不计空气阻力,(取g=10m/s2).
求:(1)他跳起刚离地时的速度大小;
(2)上跳过程中他对地面平均压力的大小.
正确答案
(1)跳起后重心升高 h=2.25-2.10=0.15m
根据机械能守恒定律mv2=mgh…①
解得v==
m/s②
(2)由动量定理(F-mg)t=mv-0…③
即F=+mg…④
将数据代入上式可得F=1.0×103N…⑤
根据牛顿第三定律可知:创始对地面的平均压力F′=1.0×103N
答:(1)他跳起刚离地时的速度大小为3m/s;(2)起跳过程中他对地面平均压力为1.0×103N.
如图甲所示,小车B静止在光滑水平上,一个质量为m的铁块A(可视为质点),以水平速度v0=4.0m/s滑上小车B的左端,然后与小车右挡板碰撞,最后恰好滑到小车的中点,已知=3,小车车面长L=1m.设A与挡板碰撞无机械能损失,碰撞时间可忽略不计,g取10m/s2,求:
(1)A、B最后速度的大小;
(2)铁块A与小车B之间的动摩擦因数;
(3)铁块A与小车B的挡板相碰撞前后小车B的速度,并在图乙坐标中画出A、B相对滑动过程中小车B相对地面的速度v-t图线.
正确答案
(1)对A、B系统,由动量守恒定律得:
Mv0=(M+m)v,解得v==1m/s;
(2)A、B系统整个过程,由动能定理得:
μmg×1.5L=m
-
(M+m)
,
解得:μ==0.4;
(3)设A、B碰撞前速度分别为v10和v20,
对系统动量守恒 mv0=mv1+Mv2,
对系统能量转化和守恒定律得:
μmgL=mv02-
mv102-
M
带入数据联立方程,解得v10=1+=2.732 m/s,(舍v10=1-
=-0.732m/s)
v20=1-=0.423m/s,
该过程小车B做匀加速运动,
由牛顿第二定律得:μmg=MaM,
解得:aM=m/s2,v20=aMt1,t1=0.317s,
A、B相碰,设A、B碰后A的速度为v1和 v2
A、B系统动量守恒:mv0=mv1+Mv2
对系统机械能守恒mv102+
M
=
mv12+
M
,
带入数据联立方程,解得v1=1-=-0.732 m/s,(舍v1=1+
m/s)
“-”说明方向向左;v2=1+=1.577m/s,
该过程小车B做匀减速运动,-μmg=MaM,解得aM=-m/s2,
到最终相对静止:v=v2+aMt2,t2=0.433s,
所以,运动的总时间为:t=t1+t2=0.75s,
小车B的v-t图如图所示;
答:(1)A、B最后速度的为1m/s;
(2)铁块A与小车B之间的动摩擦因数为0.4;
(3)小车B相对地面的速度v-t图线如图所示.
如图所示,固定点O上系一长l=0.6m的细绳,细绳的下端系一质量m=1.0kg的小球(可视为质点),原来处于静止状态,球与平台的B点接触但对平台无压力,平台高h=0.80m,一质量M=2.0kg的物块开始静止在平台上的P点,现对M施予一水平向右的瞬时冲量,物块M沿粗糙平台自左向右运动到平台边缘B处与小球m发生正碰,碰后小球m在绳的约束下做圆周运动,经最高点A时,绳上的拉力恰好等于摆球的重力,而M落在水平地面上的C点,其水平位移s=1.2m,不计空气阻力.g=10m/s2.求:
(1)质量为M物块落地时速度大小?
(2)若平台表面与物块间动摩擦因数μ=0.5,物块M与小球初始距离s1=1.3m,物块M在P处所受水平向右的瞬时冲量大小为多少?
正确答案
(1)碰后物块M做平抛运动,h=gt2…①
S=v3t…②
v3=S=3.0m/s…③
vy==4.0m/s…④
物块落地速度大小v==5.0m/s…⑤
答:质量为M物块落地时速度大小为:5.0m/s.
(2)物块与小球在B处碰撞:Mv1=mv2+Mv3…⑥
碰后小球从B处运动到最高点A过程中,m
=
m
+2mgL
小球在最高点:2mg=m…⑧
由⑦⑧解得v2=6.0m/s…⑨
由③⑥⑨得v1==6.0m/s…⑩
物块M从P运动到B处过程中,-μMgs1=M
-
M
…(11)
v0==7.0m/s…(12)
根据动量定理得:
I=Mv0=14N•S
答:物块M在P处所受水平向右的瞬时冲量大小为:14N•S.
质量为0.5 kg的小球沿光滑水平面以5m/s的速度冲向墙壁后又以4m/s的速度反向弹回,如图所示,若球跟墙的作用时间为0.05s,求:
(1)小球动量的增量;
(2)小球在碰撞过程中受到的平均冲力大小。
正确答案
解:设v1的方向为正方向,则v1=5m/s,v2=-4m/s
(1)动量的增量:△p=mv2-mv1=0.5×(-4-5)kg·m/s=-4.5 kg·m/s,负号表示△p的方向与初动量方向相反
(2)由动量定理有Ft=△p=mv2-mv1得
如图所示,质量mA为4.0kg的木板A放在水平面C上,木板与水平面间的动摩擦因数μ为0.24,木板右端放着质量mB为1.0kg的小物块B(视为质点),它们均处于静止状态。木板突然受到水平向右的12N·s的瞬时冲量I作用开始运动,当小物块滑离木板时,木板的动能EM为8.0J,小物块的动能EkB为0.50J,重力加速度取10m/s2,求:
(1)瞬时冲量作用结束时木板的速度v0;
(2)木板的长度L。
正确答案
解:(1)设水平向右为正方向 ①
代入数据解得 ②
(2)设A对B、B对A、C对A的滑动摩擦力的大小分别为FAB、FBA和FCA,B在A上滑行的时间为t,B离开A时A和B的初速分别为vA和vB,有
③
④
其中FAB=FBA
⑤
设A、B相对于C的位移大小分别为sA和sB,有
⑥
⑦
动量与动能之间的关系为
⑧
⑨
木板A的长度 ⑩
代入数据解得L=0.50m
如图所示,水平轨道AB与半径为R=360 m的光滑圆弧形轨道BC相切于B点,质量为M=0.99 kg的木块静止于B点,质量为m=10 g的子弹以v0=500 m/s的水平速度射入木块而未穿出,若木块与水平轨道间的动摩擦因数为μ=0.5,取g=10 m/s2,且已知cos5°=0.966。求:子弹射入后,木块再经过多少时间方可静止?
正确答案
解:子弹射入木块的过程动量守恒mv0=(m+M)v,v=5 m/s
cosθ<0.996,故θ<5°
可看作是简谐运动
之后做匀减速运动a=μg
t总=t1+t2=18.2s
如图所示,长为L的木板A静止在光滑的水平桌面上,A的左端上方放有小物体B(可视为质点),一端连在B上的细绳,绕过固定在桌子边沿的定滑轮后,另一端连在小物体C上,设法用外力使A,B静止,此时C被悬挂着。A的右端距离滑轮足够远,C距离地面足够高,已知A的质量为6m,B的质量为3m,C的质量为m。现将C物体竖直向上提高距离2L,同时撤去固定A,B的外力。再将C 无初速释放,当细绳被拉直时B,C速度的大小立即变成相等,由于细绳被拉直的时间极短,此过程中重力和摩擦力的作用可以忽略不计,细绳不可伸长,且能承受足够大的拉力。最后发现B在A上相对A滑行的最大距离为L。细绳始终在滑轮上,不计滑轮与细绳之间的摩擦,计算中可认为A,B之间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度g=10 m/s2。
(1)求细绳被拉直前瞬间C物体速度的大小v0;
(2)求细绳被拉直后瞬间B,C速度的大小v;
(3)在题目所述情景中,只改变C物体的质量,可以使B从A上滑下来,设C的质量为km,求k至少为多大?
正确答案
解:(1)C做自由落体运动,下降高度为2L时的速度为v0根据得
(2)此时细绳被拉直,B,C速度的大小立即变成v,设绳子对B,C的冲量大小为I,根据动量定理得
对B:I=3mv
对C:-I=mv-mv0解得B,C速度的大小
(3)设C物体的质量为km,A,B之间的动摩擦因数为μ
由(2)可知,细绳被拉直时B,C速度的大小
此后B物体的加速度
A物体的加速度
经时间t,B物体的速度v1=v'+a1t
B物体的位移
同样,A物体的速度v2=a2t,A物体的位移
①根据题意,若k=1,当v1=v2时,,解μ=0.4
②要使v1=v2时,x1-x2=1,利用①求得的动摩擦因数μ
可得
即C物体的质量至少为1.29m时,才可以使B物体从A上滑下来
图中滑块和小球的质量均为m,滑块可在水平放置的光滑固定导轨上自由滑动,小球与滑块上的悬点O由一不可伸长的轻绳相连,轻绳长l。开始时,轻绳处于水平拉直状态,小球和滑块均静止,现将小球由静止释放,当小球到达最低点时,滑块刚好被一表面涂有粘性物质的固定挡板粘住,在极短的时间内速度减为零,小球继续向左摆动,当轻绳与竖直方向的夹角θ=60°时小球达到最高点。求
(1)从滑块与挡板接触到速度刚好变为零的过程中,挡板阻力对滑块的冲量;
(2)小球从释放到第一次到达最低点的过程中,绳的拉力对小球做功的大小。
正确答案
解:(1)设小球第一次到达最低点时,滑块和小球速度的大小分别为v1、v2,由机械能守恒定律得
①
小球由最低点向左摆动到最高点时,由机械能守恒定律得
②
联立①②式得 ③
设所求的挡板阻力对滑块的冲量为I,规定动量方向向右为正,有Ι=0-mv1
解得 ④
(2)小球从开始释放到第一次到达最低点的过程中,设绳的拉力对小球做功为W,由动能定理得
⑤
联立③⑤式得 ⑥
小球从释放到第一次到达最低点的过程中,绳的拉力对小球做功的大小为
质量为m的小滑块自圆弧轨道上端由静止滑下,如图所示,圆弧轨道半径为R,高度为h.A点为弧形轨道与水平桌面的平滑接点.滑块离开桌面后恰好落人静止在水平面上的装满沙的总质量为m0的小车中,桌面到小车上沙平面的高度也是h.木块落人车内与沙面接触直到相对静止经过的较短时间为t.试回答下列问题.(所有接触面的摩擦不计,重力加速度g已知,小车高度不计)
(1)滑块经过A点前后对轨道和桌面的压力F1,F2各多大?
(2)小车最终的速度多大?
(3)滑块落人车中直到相对静止的过程中,小车对地面的平均压力多大?
正确答案
(1)滑块沿弧形轨道下滑的过程中
mgh=m
解得 vA=①
经过A点前的瞬间,有F1-mg=m,
故有F1=mg+2mg,②
经过A点后,滑块沿桌面匀速直线运动,故经过A点瞬间F2=mg.③
(2)滑块离开桌面做平抛运动,水平方向分速度vx=vA=
滑块与小车水平方向动量守恒,mvx=(m0+m)v,④
则小车最终的速度为v==
.⑤
(3),滑块落人车中直到相对静止的过程中,取竖直向上方向为正方向,由动量定理得
(F-mg)t=0-(-mvy)=m,⑥
由平抛运动规律得 h=gt2,则t=
,
落人车内时,竖直方向分速度 vy=gt=,⑦
故得 F=mg+,
则小车对地压力是 m0g+mg+
答:
(1)滑块经过A点前后对轨道和桌面的压力F1,F2各是mg+2mg和mg.
(2)小车最终的速度是.
(3)滑块落人车中直到相对静止的过程中,小车对地面的平均压力是m0g+mg+.
如图所示,可视为质点的A、B两物体并排放在一起,与墙相距L=4 m,ma=mb=1 kg,A物体与水平地面间摩擦力不计,B物体与地面的动摩擦因数μ=0.1。开始时两物体静止,现同时分别给A、B向左、向右大小为I=4N·s的冲量,使两物体向相反的方向运动,设A与墙壁发生无机械能损失的碰撞,后又与B物体碰撞并结合在一起继续运动(g=10 m/s2)。求:
(1)A物体开始运动时的速度大小;
(2)B物体最后所停的位置与墙壁间的距离。
正确答案
解:(1)对A或B有I=mv,即
(2)设B运动后的加速度为aB,则μmBg=mBaB,aB=μg=1m/s2 设B从开始运动到速度为0通过的距离为sB,运动的时间为tB,则
vB2=2aBsB,得sB=8 m
VB=aBtB,知tB=4 s
分析可知:B物体剐停,A物体到来与之碰撞结合
由动量守恒定律可知:mAvA=(mA+mB)vAB,vAB=2 m/s
而后共同运动的加速度为aAB,(mA+mB)aAB=μmBg,aAB=0.5 m/s2
vAB2=2aABs'B,可得s'B=4 m
B物体到墙壁的距离s总=L+sB+S'B=16 m
人做“蹦极”运动,用原长为15m的橡皮绳拴住身体往下跃.若此人的质量为50kg,从50m高处由静止下落到运动停止瞬间所用时间为4s,求橡皮绳对人的平均作用力.(g取10m/s2,保留两位有效数字)
正确答案
人先做自由落体运动,
由h=g
可得,
自由下落的时间:t1==
s=1.73s,
绳的拉力作用时间为:t=t2-t1=4s-1.73s=2.27s,
全程应用动量定理有:Ft2-mgt=0
解得,平均作用力:F==
N=8.8×102N.
答:橡皮绳对人的平均作用力为880N.
小华做“蹦极”运动,用原长15 m的橡皮绳拴住身体从高空跃下,若小华质量为50 kg,从50 m高处由静止下落,到运动停止所用时间为4 s,则橡皮绳对人的平均作用力约为_____________.(取g="10" m/s2)
正确答案
870 N
人自下落到橡皮绳全部伸直过程的时间t1==
s=
s="1.7" s
可知从橡皮绳开始产生弹力到人的速度变为零,经历的时间t2=t-t1="4" s- s="2.3" s
以向下为正方向,设橡皮绳对人的作用力的大小为F,
由动量定理得:mg·t-F·t2=0
故F==
N="870" N.
如图所示,有一个竖直固定在地面的透气圆筒,筒中有一轻弹簧,其下端固定,上端连接一质量为m的薄滑块,当滑块运动时,圆筒内壁对滑块有阻力的作用,阻力的大小恒为(g为重力加速度)。在初始位置滑块静止,圆筒内壁对滑块的阻力为零,弹簧的长度为l。现有一质量也为m的物体从距地面2l处自由落下,与滑块发生碰撞,碰撞时间极短。碰撞后物体与滑块粘在一起向下运动,运动到最低点后又被弹回向上运动,滑动到初始位置时速度恰好为零,不计空气阻力。求:
(1)物体与滑块碰撞过程中,合力对物体的冲量的大小;
(2)碰撞后,在滑块向下运动到最低点的过程中弹簧弹力所做的功。
正确答案
解:(1)设碰撞前物体的速度为v0,有:
设碰撞后共同速度为v,有:
对物体应用动量定理得:
(2)设下滑的最大距离s,由碰撞后开始弹回初始位置的过程中有:
由碰撞后开始运动到最低点的过程中,根据动能定理有:
解得:
2003年美国戴姆勒-克莱斯公司推出的一款称为“道奇-战斧”的概念摩托车,下面是它的一些参数:
假如允许此车上路,运动中各种阻力之和是重力的k=0.30倍,飙车人质量m为60kg,因为是概念车,可以不考虑燃油质量及其变化。(取g=10 m/s2)
(1)若“道奇-战斧”在狂飚中实际最好的提速表现是:0→108km/h:用时3.0 s,求以此加速度启动后维持匀加速运动的时间。
(2)从匀加速结束时刻到速度达到160m/s所需的时间为60秒,则这段时间内的位移是多少?
(3)在高速公路上该摩托车以160m/s的速度行驶时与一辆与它质量相等、速度为40m/s的小车发生追尾事故。从两车接触到挤压最紧历时0.1 s,此过程中小车受到的冲击力多大?
正确答案
解:(1)实际加速度
由牛顿第二定律
即牵引力=
又
所以
(2)由动能定理
(3)由动量守恒得:
由动量定理得:
解得:F=444000 N
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