- 动量守恒定律
- 共1004题
如图所示,A、B两个小物体(可看成质点)的质量分别为2m、m,它们栓接在跨过定滑轮的细绳两端,细绳不可伸长,且能承受足够大的拉力。B物体悬吊着静止时,A也静止在地面上,A、B与定滑轮轮轴之间的竖直距离分别为2l、l。现将B物体竖直向上提高距离l,再将其从静止释放。每次细绳被拉直时A、B速度的大小立即变成相等,且速度方向相反,细绳被拉直的时间极短。物体与地面接触时,速度立即变为0,直到再次被细绳拉起。细绳始终在滑轮上,且不计一切摩擦,重力加速度为g。求:
(1)细绳第一次被拉直瞬间绳对A冲量的大小;
(2)A第一次上升过程距离地面的最大高度;
(3)A运动的总路程。
正确答案
解:(1)B做自由落体,下降高度为I时的速度为
根据得
此时细绳被拉直,A、B速度的大小立即变成
设绳子对A、B的冲量大小为I,根据动量定理得
对B:
对A:
解得细绳第一次被拉直瞬间绳对A冲量的大小
(2)由(1)可得A第一次离开地面时速度的大小
从A离开地面到A再次回到地面的过程中,A、B组成的系统机械能守恒,假设A第一次上升过程距离地面的最大高度为,则
解得
(3)从A离开地面到A再次回到地面的过程中,A、B组成的系统机械能守恒,所以,A再次回到地面时速度的大小依然为,即B再次回到距离地面高度为
时速度的大小也为
。此后B做竖直上抛运动,落回距离地面高度为
时速度的大小还是
。
根据(1)求解可得A第二次离开地面时速度的大小
同理可求A第二次离开地面上升的最大高度为
……
A第次离开地面时速度的大小
同理可求第次离开地面上升的最大高度为
由于A的质量大于B的质量,A最终会静止在地面上
所以A运动的总路程
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。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=10m/s2。
(1)求细绳被拉直前瞬间C物体速度的大小υ0;
(2)求细绳被拉直后瞬间B、C速度的大小υ;
(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
v0=
(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:
对C:
解得B、C速度的大小v=
(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v′′=
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,B物体的位移
同样,A物体的速度,A物体的位移
(i)根据题意,若k=1,当v1=v2时,x1-x2=,解μ=0.4
(ii)要使v1=v2时,x1-x2=L,利用(i)求得的动摩擦因数μ,可得k==1.29
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
如图所示,质量m1=0.3 kg的小车静止在光滑的水平面上,车长L=15 m,现有质量m2=0.2 kg可视为质点的物块,以水平向右的速度v0=2 m/s从左端滑上小车,最后在车面上某处与小车保持相对静止。物块与车面间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10 m/s2,求
(1)物块在车面上滑行的时间t;
(2)要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车左端的速度v′0不超过多少。
正确答案
解:(1)设物块与小车的共同速度为v,以水平向右为正方向,根据动量守恒定律有
①
设物块与车面间的滑动摩擦力为F,对物块应用动量定理有
②
其中 ③
解得
代入数据得 ④
(2)要使物块恰好不从车厢滑出,须物块到车面右端时与小车有共同的速度v′,则
⑤
由功能关系有 ⑥
代入数据解得v0′=5m/s
故要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车的速度v0′不能超过5m/s
如图甲所示,用水平向右的力拉放在光滑水平地面上、质量为500 kg的物体,作用时间为20 s,使物体获得0.5 m/s的速度.若力大小的变化为:前15 s从零开始随时间均匀增大,后5 s均匀减小为零,如图乙所示,求:
(1)力对物体的冲量;
(2)力的最大值.
正确答案
解:(1)拉力对物体的冲量等于物体的动量增加,有:==500×0.5 Ns=250 Ns
由于拉力均匀变化,设拉力最大值为max,则拉力的冲量大小为图乙中图线与时间轴所围成的面积,则:=
max,得max=25 N
一倾角为θ=45°的斜面固定于地面,斜面顶端离地面的高度h0=1m,斜面底端有一垂直于斜面的固定挡板,在斜面顶端自由释放一质量m=0.09 kg的小物块(视为质点)。小物块与斜面之间的动摩擦因数μ=0.2,当小物块与挡板碰撞后,将以原速返回。重力加速度g=10 m/s2。在小物块与挡板的前4次碰撞过程中,挡板给予小物块的总冲量是多少?
正确答案
解:设小物块从高为h处由静止开始沿斜面向下运动,到达斜面底端时速度为v
由功能关系得 ①
以沿斜面向上为动量的正方向。按动量定理,碰撞过程中挡板给小物块的冲量I=mv-m(-v) ②
设碰撞后小物块所能达到的最大高度为h',则 ③
同理,有 ④
I'=mv'-m(-v') ⑤
式中,v'为小物块再次到达斜面底端时的速度,I'为再次碰撞过程中挡板给小物块的冲量
由①②③④⑤式得I'=kI ⑥
式中 ⑦
由此可知,小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数,首项为 ⑧
总冲量为I=I1+I2+I3+I4=I1(1+k+k2+k3) ⑨
由 ⑩
得
代入数据得
火箭是利用反冲原理工作的重要航天运输工具。
(1)我国长征3号甲火箭在起飞阶段,通过发动机喷射气体而获得的反冲力约为火箭总重量的2倍左右,假设在它刚刚起飞后竖直上升的某时刻,火箭的速度大小为v,在此后一个较短的时间t内,发动机喷出的气体质量为△m,喷出的气体相对于地面的速度方向向下,大小为u,求这一段时间内火箭受到的反冲力大小。(计算时忽略喷出气体的重力大小,且认为此段时间内火箭受到的反冲力大小不变)
(2)火箭有单级和多级之分,多级火箭就是把火箭一级一级地接在一起,第一级燃料用完之后把箭体抛弃,减轻负担,然后第二级开始工作,燃料用完之后再把第二级抛弃……,因此从理论上讲,多级火箭能比单级火箭获得更大的速度,某同学分别建立了以下两个力学模型来粗略地模拟单级火箭和二级火箭在水平飞行时的工作过程,如图甲、乙所示。甲图中的光滑水平面上并排静止放置有质量分别为2m和m的两个物块A,B,它们之间粘有微量的炸药C,爆炸时释放出的能量为2△E;乙图中光滑水平面上并排静止放置有质量均为m的三个物块D,F,G,D,F之间和F,G之间分别粘有微量的炸药P和Q,通过控制使炸药Q先爆炸,炸药P后爆炸,Q和P爆炸时释放出的能量均为△E。所有炸药的质量都忽略不计,爆炸的时间极短,爆炸产生的能量都转化为机械能,爆炸后所有物块的速度方向在同一直线上,求所有的爆炸都发生后物块D的速度是物块A的速度的多少倍?
正确答案
解:(1)设发动机对气体的喷射力大小为F,对t时间内喷出的气体用动量定理得
Ft=△mu-(-△mv) ①
由牛顿第三定律得,火箭受到的反冲力大小F'=F ②
①②式得 ③
(2)在甲图中,由动量守恒得2mvA= mvB ④
由能量守恒得 ⑤
由④⑤两式得 ⑥
在乙图中,炸药Q爆炸时,由动量守恒得2mvDF=mvG ⑦
由能量守恒得 ⑧
炸药P爆炸时,由动量守恒得2mvDF=mvD+mvF ⑨
由能量守恒得 ⑩
由⑦⑧⑨⑩得
由⑥得
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物体竖直提高2L,同时撤去固定A、B的外力。再将C无初速度释放,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。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)细绳被拉直后瞬间B、C速度的大小立即变成v,设细绳对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,,解得μ=0.4
②要使v1=v2时,x1-x2=L,利用①求得的动摩擦因数μ,可得k=,即C物体的质量至少为1.29m时,才可以使B物体A上滑下来
如图所示,一颗质量为m的子弹以水平初速v0穿过静止在光滑水平面上紧挨着的两木块,所经历时间分别为t1和t2。设子弹在木块中运动时所受阻力恒为F,两木块质量分别为mA和mB,则子弹穿过两木块后,子弹和两木块的速度分别为多大?
正确答案
解:以A、B整体为研究对象:Ft1=(mA+mB)v-0
解得:vA=v=
以B为研究对象:Ft2=mBv′-mBv
解得:vB=v′=
以子弹为研究对象:-F(t1+t2)=mv″-mv0
解得:v″=v0-
一物体放在水平地面上,如图1所示,已知物体所受水平拉力F随时间t的变化情况如图2所示,物体相应的速度v随时间t的变化关系如图3所示.求:
(1)0~8s时间内拉力的冲量;
(2)0~6s时间内物体的位移;
(3)0~10s时间内,物体克服摩擦力所做的功.
正确答案
(1)由图象知,力F的方向恒定,故力F在0-8s内的冲量
I=F1t1+F2t2+F3t3=1×2+3×4+2×2N•s=18N•s
(2)由图2知,物体在0-2s内静止,2-6s内做匀加速直线运动,初速度为0,末速度为3m/s
所以物体在0-6s内的位移即为2-4s内匀加速运动的位移x1=t=
×4m=6m
(3)由图2知物体在6-8s内做匀直线运动,此时摩擦力与拉力平衡即f=F=2N;
物体在6-8s内做匀速直线运动位移x2=vt=3×2m=6m
物体在8-10s内做匀减速运动位移x3=t=
×2m=3m
所以物体在0-10s内的总位移x=x1+x2+x3=15m
摩擦力做功Wf=-fx=-2×15J=-30J
即物体克服摩擦力做功30J.
答:(1)0~8s时间内拉力的冲量为18N•s;
(2)0~6s时间内物体的位移为6m;
(3)0~10s时间内,物体克服摩擦力所做的功为30J
如下图所示,质量为m=2kg的物体,在水平力F=8N的作用下,由静止开始沿水平面向右运动.已知物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.2.若F作用t1=6s后撤去,撤去F后又经t2=2s物体与竖直墙壁相碰,若物体与墙壁作用时间3=0.1s,碰墙后反向弹回的速度v'=6m/s,求墙壁对物体的平均作用力(取10m/s2).
正确答案
280N
如图所示,质量为m=2kg的物体,在水平力F=16N的作用下,由静止开始沿水平面向右运动.已知物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.2.若F作用t1=2s后撤去,撤去F后又经t2=2s物体与竖直墙壁相碰,若物体与墙壁作用时间t3=0.1s,碰撞后反向弹回的速度v′=6m/s,求墙壁对物体的平均作用力.(g取10m/s2)
正确答案
对于物体与墙壁碰撞之前的过程,设物体与墙壁碰撞前的速度为v.由动量定理得
Ft1-μmg(t1+t2)=mv-0 代入解得v=8m/s
对于物体与墙壁碰撞过程,由动量定理得
-ft3=-mv′-mv
得到墙壁对物体的平均作用力f=280N.
答:墙壁对物体的平均作用力f=280N.
皮球从某高度落到水平地板上,每弹跳一次上升的高度总等于前一次的0.64倍,且每次球与地面接触时间相等,空气阻力不计,与地面碰撞时,皮球重力可忽略。
小题1:相邻两次球与地板碰撞的平均冲力大小之比是多少?
小题2:若用手拍这个球,保持在0.8m的高度上下跳动,则每次应给球施加的冲量大小为多少?已知球的质量m=0.5kg,g=10m/s2。
正确答案
小题1:F1:F2=5:4
小题2:I=mυ=1.5N·s
小题1:皮球原高度为H,与地面碰第一次前瞬时速度为,碰后的速度为第二次碰前瞬时速度和第二次碰后瞬时速度关系为υ2=0.8υ1=0.82υ0。设两次碰撞中地板对球的平均冲力分别为F1、F2,选向上为正方向,由动量定理有F1t=mυ1-(-mυ0)=1.8 mυ0,F2t=mυ2-(-mυ1)=1.8 mυ1=1.44 mυ0, F1:F2=5:4
小题2:球跳起上升高度,欲使球跳起0.8m,应使下落高度为
,球由1.25m落到0.8m处具有速度为
,则应在0.8m处给球的冲量为I=mυ=1.5N·s
(1)物块在水平面上滑行的时间为多少?
(2)若物块开始静止在水平面上距B点10m的C点处,用大小为4.5N的平恒力向右拉该物块,到B点撤去此力,物块第一次到A点时的速度为多大?
(3)若物块开始静止在水平面上距B点10m的C点处,用大小为4.5N的水平恒力向右拉该物块,欲使物块能到达A点,水平恒力作用的最短距离为多大?
正确答案
(1)(2)
(3)
(1)物块先沿斜面匀加速下滑,设AB长度为L,动摩擦因数为
下滑的加速度(1分)
到达B点时速度 (1分)
在水平面上物块做匀减速运动 (1分)
在水平面上运动的时间 (1分)
(2)设CB距离为,全过程用动能定理:
(3分)
解得: (2分)
(3)设力作用的最短距离为,根据动能定理可得:
(3分)
解得: (2分)
如图所示,质量m1=0.3kg 的小车静止在光滑的水平面上,车长L=15m,现有质量m2=0.2kg可视为质点的物块,以水平向右的速度v0=2m/s从左端滑上小车,最后在车面上某处与小车保持相对静止.物块与车面间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10m/s2,求:
(1)物块与小车保持相对静止时的速度大小v;
(2)物块在车面上滑行的时间t;
(3)要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车左端的速度不超过多少.
正确答案
(1)依据动量守恒得 m2v0=(m1+m2)v
解得 v=0.8m/s
(2)物块所受的滑动摩擦力大小f=μm2g=1N
对小车,依据动量定理得 ft=m1v
解得t=0.24s
(3)依据动量守恒有:m2=(m1+m2)v共
依据能量关系有:m2
-
(m1+m2)
=μm2gL
解得 v′0=5m/s
则要使物块不从小车右端滑出,必须满足≤5m/s
答:
(1)物块与小车保持相对静止时的速度大小v为0.8m/s;
(2)物块在车面上滑行的时间t是0.24s;
(3)要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车左端的速度不超过5m/s.
木块和铁块的质量分别为m和M,用线连接起来放在水中,木块的密度小于水的密度。放手后一起以加速度a加速下降,经时间t1后线断了,再经时间t2,木块速度为零,当木块速度为零时,铁块速度为多少?
正确答案
木块和铁块一起以加速度a下降,当线断后,木块作匀减速运动,而铁块作匀加速运动,木块的加速度为a1,方向向上;铁块的加速度为a2,方向向下,利用木块分段运动中的速度特点可求得a与a1的关系,再利用铁块和木块一起运动和已求出的a1与a的关系,求出a2与a的关系。若把木块和铁块作为一个整体来看,它们所受的合外力为(M+m)a,在这个力的作用下,运动的总时间为(t1+t1),在这段时间内的木块的末速度为零,也就是说这个力在这段时间内的冲量就等于铁块的动量。即 (M+m)a(t1+t1) =Mυ
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