- 能量守恒定律与能源
- 共1856题
(选做题,选修3-5)
如图所示质量为m1=1kg的平板小车在光滑水平面上以v1=1 m/s的速度向左做匀速运动,质量为m2 =2 kg的小铁块以v2 =2 m/s的速度水平向右滑上小车,铁块与小车间的动摩擦因数为μ=0.2,若铁块最终没有滑出小车,则:
(1)铁块在小车上停止运动时,小车的速度为多大?
(2)小车的长度至少为多少?
(3)小车向左运动的最大距离是多少?
正确答案
解:
①由动量守恒定律可得:m2v2-m1v1=(m1+m2)v
解得:v=1 m/s,方向向右;
②由能量守恒得:
解得:x=0.75 m
所以小车的长度至少为0.75米
③当小车减速为零时向左运动的距离最大
-μm2gx车=0-
解得:x车=0.125 m。
(选修3-5选做题)
一质量为M的长木板静止在光滑水平桌面上。一质量为m的小滑块以水平速度v0从长木板的一端开始在木板上滑动,直到离开木板。滑块刚离开木板时的速度为v0/3。若把该木板固定在水平桌面上,其它条件相同,求滑块离开木板时的速度v。
正确答案
解:mv0=m+Mu,u=
=
联立解得v=
质量为M=2 kg的木板若固定在光滑的水平地面上,质量为m=0.04 kg的子弹以速度v1=500 m/s射入,射出时子弹速度v2=300 m/s,如图所示,今将钉子拔掉,子弹穿出木块后的速度多大?(设前后两次子弹和木块的作用力相同)
正确答案
解:固定木块时,系统摩擦力所做的功Wf
Wf=mv12-
mv22 ①
因为将固定木块的钉子拔出后,子弹仍能射出木块
以m和M组成系统为研究对象,系统在水平方向动量守恒,根据动量守恒列方程:
mv1=MV+mv②
mv12=Wf+
Mv2+
mv2 ③
由解得①②③得v=298.5m/s
如图所示,一个带有圆弧的粗糙滑板A的总质量mA=3 kg,其圆弧部分与水平部分相切于P,水平部分PQ长L=3.75 m。开始时,A静止在光滑水平面上。现有一质量mB=2 kg的小木块B从滑块A的右端以水平初速度v0=5 m/s滑上A,小木块B与滑板A之间的动摩擦因数μ=0.15,小木块B滑到滑板A的左端并沿着圆弧部分上滑一段弧长后返回,最终停止在滑板A上。
(1)求A、B相对静止时的速度大小;
(2)若B最终停在A的水平部分上的R点,P、R相距1 m,求B在圆弧上运动的过程中因摩擦而产生的内能;
(3)若圆弧部分光滑,且除v0不确定外其他条件不变,讨论小木块B在整个运动过程中,是否有可能在某段时间里相对地面向右运动?如不可能,请说明理由;如可能,试求出B既向右滑动,又不滑离木板A的v0取值范围。(取g=10 m/s2,结果可以保留根号)
正确答案
解:(1)根据动量守恒得:mBv0=(mB+mA)v
解得:v=v0=2 m/s
(2)设B在A的圆弧部分产生的热量为Q1,在A的水平部分产生的热量为Q2。则有:
mBv02=
(mB+mA)v2+Q1+Q2
又Q2=μmBg(LQP+LPR)
联立解得:Q1=0.75 J
(3)当B滑上圆弧再返回至P点时最有可能速度向右,设木块滑至P的速度为vB,此时A的速度为vA,有:
mBv0=mBvB+mAvA
mBv02=
mBvB2+
mAvA2+μmBgL
代入数据得:vB2-0.8v0vB+6.75-0.2v02=0
当vB的两个解一正一负时,表示B从圆弧滑下的速度向右,即需:v0>5.9m/s,故B有可能相对地面向右运动
若要B最终不滑离A,有:
μmBg2L≥mBv02-
(mB+mA)(
v0)2
得:v0≤6.1m/s
故v0的取值范围为:5.9m/s<v0≤6.1m/s
如图所示,质量M=0.45kg的前方带有小孔的塑料块沿斜面滑到最高点C时速度恰为零,此时它刚好与从A点以v0水平射出的弹丸相碰,弹丸沿着斜面方向进入塑料块中,并立即与塑料块粘在一起有相同的速度。已知A点和C点距地面高度分别为:H=1.95m,h=0.15m,弹丸质量m=0.05kg,水平初速度v0=8m/s,重力加速度g=10m/s2。求:
(1)斜面与水平地面的夹角θ。
(2)上述条件仍成立,若再在斜面下端与地面交接处设一个垂直斜面的弹性挡板,塑料块与它相碰后可以立即原速率反弹。现要使弹丸与塑料块相碰后一起沿斜面向下运动,它们与挡板第一次相撞后恰好仍能返回C点,则塑料块与斜面间的动摩擦因数应为多少?
正确答案
解:(1)根据运动学公式 得
所以有:,
依题意斜面与水平地面夹角为
(2)弹丸与塑料块碰撞过程依动量守恒有:
解得:
根据能量守恒:
而:
解得:
【选修3-5选做题】
如图所示,光滑水平面上有一辆质量为=1kg的小车,小车的上表面有一个质量为=0.9kg的滑块,在滑块与小车的挡板间用轻弹簧相连接,滑块与小车上表面间的动摩擦因数为μ=0.2,整个系统一起以1=10m/s的速度向右做匀速直线运动,此时弹簧长度恰好为原长。现在用一质量为0=0.1kg的子弹,以0=50m/s的速度向左射入滑块且不穿出,所用时间极短。当弹簧压缩到最短时,弹簧被锁定,测得此时弹簧的压缩量为=0.50m,=10m/s2。求
(1)子弹射入滑块的瞬间,子弹与滑块的共同速度;
(2)弹簧压缩到最短时,弹簧弹性势能的大小。
正确答案
解:(1)子弹射入滑块后的共同速度大为2,设向右为正方向,对子弹与滑块组成的系统应用动量守恒定律得
①
②
(2)子弹,滑块与小车,三者的共同速度为3,当三者达到共同速度时弹簧压缩量最大,弹性势能最大.由动量守恒定律得
③
④
设最大弹性势能为pmax,对三个物体组成的系统应用能量守恒定律
⑤
⑥
由⑤⑥两式解得⑦
【选修3-5选做题】
如图所示,光滑水平面上有A、B两个滑块,两滑块由一轻质弹簧连接,已知滑块A的质量是滑块B质量的,子弹质量是滑块B质量的
。若滑块A被水平速度为v0的子弹射中,且子弹嵌在物体A的中心,求:
(1)木块A的最大速度是多少?
(2)运动过程中,木块B的最大速度是多少?
正确答案
解:(1)子弹和A达到共同速度时,A的速度最大。设木块B的质量为4m,则木块A和子弹的质量分别为2m、m,对子弹射入木块A的过程应用动量守恒定律有
mv0=(m+2m)vA
(2)当木块A(包括子弹)通过弹簧与B相互作用时,弹簧被压缩而后又恢复到原长时,B的速度最大。根据动量守恒定律和能量守恒定律,有
(m+2m)vA=(m+2m)v1+4mv
解得
用密度为d、电阻率为、横截面积为A的薄金属条制成边长为L的闭合正方框abb′a′。如图所示,金属方框水平放在磁极的狭缝间,方框平面与磁场方向平行。设匀强磁场仅存在于相对磁极之间,其他地方的磁场忽略不计。可认为方框的aa′和bb′边都处于磁极间,极间磁感应强度大小为B。方框从静止开始释放,其平面在下落过程中保持水平(不计空气阻力)。
(1)求方框下落的最大速度vm(设磁场区域在竖直方向足够长);
(2)若已知方框下落的时间为t时,下落的高底为h,其速度为vt(vt<vm),则在同一时间t内,通过方框电流有效值为多少?
正确答案
解:(1)线框被释放后先做速度增大、加速度逐渐减小的直线运动,当加速度等于零时线框的速度达到最大,此后线框匀速下落
根据平衡条件: ①
又质量 ②
线框受到的安培力合力 ③
电流 ④
等效电动势 ⑤
线框电阻 ⑥
得最大速度
(2)依据能量守恒定律得 ⑦
⑧
由②⑥及⑦⑧解得
一根电阻=0.6Ω的导线弯成一个圆形线圈,圆半径=1m,圆形线圈质量=1kg,此线圈放在绝缘光滑的水平面上,在轴右侧有垂直线圈平面的磁感应强度=0.5T的匀强磁场,如图所示.若线圈以初动能0=5J沿轴方向滑进磁场,当进入磁场0.5m时,线圈中产生的电能为=3J.求:
(1) 此时线圈的运动速度的大小;
(2) 此时线圈与磁场左边缘两交接点间的电压;
(3) 此时线圈加速度的大小.
正确答案
解:(1)设线圈的速度为v,由能量守恒定律得E0=E+mv2解得:v=2 m/s
(2)线圈切割磁感线的有效长度L=2=
m
电动势E=BLv=V
电流I=A
两交接点间的电压U=IR1=V
(3)F=ma=BIL,所以a=2.5 m/s2
如图所示,电阻不计的光滑平行金属导轨MN和OP水平放置,MO间接有阻值为R的电阻,两导轨相距为L,其间有竖直向下的匀强磁场。质量为m,长度为L,电阻为R0的导体棒CD垂直于导轨放置,并接触良好。用平行于MN向右的水平力拉动CD从静止开始运动,拉力的功率恒为P,经过时间t导体棒CD达到最大速度v0。
(1)求出磁场磁感应强度B的大小;
(2)求出该过程中电阻R上所产生的热量。
正确答案
解:(1)导体棒CD达到最大速度时拉力与安培力合力为零p/v0-BIL=0 ①
且E=BLv0 ②
I=E/(R+R0) ③
由①②③得B=
(2)设产生总热量为Q,由能量关系有Pt=Q+mv02
电阻R上所产生的热量QR=
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