- 动量守恒定律
- 共5880题
如图所示,坡道顶端距水平面高度为h,质量为m1的小物块A从坡道顶端由静止滑下,进入水平面上的滑道时无机械能损失,为使A制动,将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上,另一端与质量为m2的档板B相连,弹簧处于原长时,B恰好位于滑道的末端O点.A与B碰撞时间极短,碰撞后结合在一起共同压缩弹簧.已知在OM段A、B与水平面间的动摩擦因数为μ,其余各处的摩擦不计,重力加速度为g,求
①物块A在档板B碰撞前瞬间的速度v的大小;
②弹簧最大压缩量为d时的弹性势能.
正确答案
解:(1)由机械能守恒定律得:
解得:v=
故物块A在与挡板B碰撞前的瞬间速度v的大小为.
(2)A、B在碰撞过程中内力远大于外力,由动量守恒,有:m1v=(m1+m2)v′①
A、B克服摩擦力所做的功:W=μ(m1+m2)gd ②
由能量守恒定律,有:
③
代入v=由①②③解得:Ep=
故弹簧最大压缩量为d时的弹簧势能EP为.
答:(1)物块A在档板B碰撞前瞬间的速度v的大小为;
(2)弹簧最大压缩量为d时的弹性势能为.
解析
解:(1)由机械能守恒定律得:
解得:v=
故物块A在与挡板B碰撞前的瞬间速度v的大小为.
(2)A、B在碰撞过程中内力远大于外力,由动量守恒,有:m1v=(m1+m2)v′①
A、B克服摩擦力所做的功:W=μ(m1+m2)gd ②
由能量守恒定律,有:
③
代入v=由①②③解得:Ep=
故弹簧最大压缩量为d时的弹簧势能EP为.
答:(1)物块A在档板B碰撞前瞬间的速度v的大小为;
(2)弹簧最大压缩量为d时的弹性势能为.
如果质点所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比,并且总是指向平衡位置,即F=-kx,其中k是由系统本身特性决定的线性回复力常数,那么质点的运动就是简谐运动.
(1)图1所示为一理想单摆,摆球的质量为m,摆长为L.重力加速度为g.请通过计算说明该单摆做简谐运动的线性回复力常数k=?
(2)单摆做简谐运动的过程中,由于偏角很小,因此可以认为摆球沿水平直线运动.
如图2所示,质量为m的摆球在回复力F=-kx作用下沿水平的x轴做简谐运动,若振幅为A,在平衡位置O点的速度为vm,试证明:mvm2=
kA2.
(3)如图3所示,两个相同的理想单摆均悬挂在P点.将B球向左拉开很小的一段距离由静止释放,B球沿水平的x轴运动,在平衡位置O点与静止的C球发生对心碰撞,碰撞后B、C粘在一起向右运动.已知摆球的质量为m,摆长为L.释放B球时的位置到O点的距离为d.重力加速度为g.求B、C碰撞后它们沿x轴正方向运动的最大距离.
正确答案
解:(1)如图所示,以平衡位置O点为坐标原点,沿水平方向建立x轴.
设当偏角为θ时,位移为x.
重力垂直绳方向的分力提供回复力
F=mgsinθ
当θ很小时 sinθ=
可得 F=
所以 k=
(2)单摆做简谐运动的过程中,只有线性回复力做功.
摆球从最大位移处运动到平衡位置的过程中,由动能定理
W=mvm2-0
其中 W=A=
kA2
所以mvm2=
kA2
(3)B球向O点运动的过程中 kd2=
mv12
B、C碰撞过程中动量守恒 mv1=2mv2
B、C从O点向右运动的过程中 22=
其中k′=2k
可得d′=
答:(1)该单摆做简谐运动的线性回复力常数k为;
(2)证明如上;
(3)最大距离为
解析
解:(1)如图所示,以平衡位置O点为坐标原点,沿水平方向建立x轴.
设当偏角为θ时,位移为x.
重力垂直绳方向的分力提供回复力
F=mgsinθ
当θ很小时 sinθ=
可得 F=
所以 k=
(2)单摆做简谐运动的过程中,只有线性回复力做功.
摆球从最大位移处运动到平衡位置的过程中,由动能定理
W=mvm2-0
其中 W=A=
kA2
所以mvm2=
kA2
(3)B球向O点运动的过程中 kd2=
mv12
B、C碰撞过程中动量守恒 mv1=2mv2
B、C从O点向右运动的过程中 22=
其中k′=2k
可得d′=
答:(1)该单摆做简谐运动的线性回复力常数k为;
(2)证明如上;
(3)最大距离为
甲、乙两个小球在水平光滑直轨道上向同方向运动,已知它们的动量分别是P1=5kg•m/s,P2=7kg•m/s.甲从后面追上乙并发生碰撞,碰后乙球的动量变为P2′=10kg•m/s.求两球质量m甲与m乙满足怎样的关系?
正确答案
解:P1=5kg•m/s,P2=7kg•m/s,P1<P2,
甲从后面追上乙并发生碰撞,说明甲的速度大于乙的速度,
即v1>v2,
得:
得小球质量之比:<
,
设两球发生的是弹性碰撞,则碰撞过程动量守恒并且机械能守恒,
以两球组成的系统为研究对象,以甲求的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
P1+P2=P1′+P2′…①,
物体动能与动量大小的关系为:EK=,
由机械能守恒定律得:+
≥
+
…②,
由①②解得:≤
;
如果两球碰撞为完全非弹性碰撞,碰后二者速度大小相等,
由于p=mv,v=,则碰撞后:
≤
…③
由①③解得:≥
;
综上所述,两小球的质量间的关系必须满足≤
≤
;
答:两球质量m甲与m乙满足的关系为≤
≤
解析
解:P1=5kg•m/s,P2=7kg•m/s,P1<P2,
甲从后面追上乙并发生碰撞,说明甲的速度大于乙的速度,
即v1>v2,
得:
得小球质量之比:<
,
设两球发生的是弹性碰撞,则碰撞过程动量守恒并且机械能守恒,
以两球组成的系统为研究对象,以甲求的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
P1+P2=P1′+P2′…①,
物体动能与动量大小的关系为:EK=,
由机械能守恒定律得:+
≥
+
…②,
由①②解得:≤
;
如果两球碰撞为完全非弹性碰撞,碰后二者速度大小相等,
由于p=mv,v=,则碰撞后:
≤
…③
由①③解得:≥
;
综上所述,两小球的质量间的关系必须满足≤
≤
;
答:两球质量m甲与m乙满足的关系为≤
≤
(2015春•延安月考)设质量为m的子弹以初速度v0射向静止在光滑水平面上的质量为M的木块,并留在木块中不再射出,子弹钻入木块深度为d.求木块对子弹的平均阻力的大小和子弹与木块的共同速度.
正确答案
解:子弹击中木块过程中,子弹与木块组成的系统动量守恒,以子弹与木块组成的系统为研究对象,以子弹的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
mv0=(M+m)v,
解得共同速度为:v=;
(2)该过程系统损失的动能全部转化为系统的内能,设平均阻力大小为s,设子弹、木块的位移大小分别为s1、s2,如图所示,由几何知识可得:
s1-s2=d,
由动能定理得:
对子弹:-fs1=mv2-
mv02,
对木块:fs2=Mv2,
解得,平均阻力:f=,
答:木块对子弹的平均阻力的大小为,共同速度为
.
解析
解:子弹击中木块过程中,子弹与木块组成的系统动量守恒,以子弹与木块组成的系统为研究对象,以子弹的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
mv0=(M+m)v,
解得共同速度为:v=;
(2)该过程系统损失的动能全部转化为系统的内能,设平均阻力大小为s,设子弹、木块的位移大小分别为s1、s2,如图所示,由几何知识可得:
s1-s2=d,
由动能定理得:
对子弹:-fs1=mv2-
mv02,
对木块:fs2=Mv2,
解得,平均阻力:f=,
答:木块对子弹的平均阻力的大小为,共同速度为
.
如图所示,半径R=1m的四分之一光滑圆轨道最低点D的切线沿水平方向,水平地面上紧靠轨道依次排放两块完全相同的木板A、B,长度均为L=2m,质量均为m2=1kg,木板上表面与轨道末端相切.质量m1=lkg的小物块(可视作质点)自圆轨道末端C点的正上方H=0.8m高处的A点由静止释放,恰好从C点切入圆轨道.物块与木板间的动摩擦因数为μ1,木板与水平地面间的动摩擦因数μ2=0.2,重力加速度为g=l0m/s2,最大静摩擦力与滑动摩擦力相等.
(1)求物块到达圆轨道最低点D时所受轨道的支持力多大.
(2)若物块滑上木板A时,木板不动,而滑上木板B时,木板B开始滑动,求μ1应满足的条件.
(3)若地面光滑,物块滑上木板后,木板A,B最终共同运动,求μ1应满足的条件.
正确答案
解:(1)物块由A到D机械能定恒,
由机械能守恒定律得:,
代入数据解得:v1=6m/s,
在D点,由牛顿第二定律得:
,代入数据解得:N=46N;
(2)当物块滑上木板A时,木板不动,由受力分析
μ1m1g≤μ2(m1+2m2)g,解得:μ1≤0.6,
物块能滑上木板B,须满足:,解得:μ1<0.9,
当物块滑上木板B时,木板B开始滑动,由受力分析
μ1m1g>μ2(m1+m2)g,解得:μ1>0.4,
综上所述,可知:0.4<μ1≤0.6;
(3)当物块刚好运动到木板A的右端时两者共速,则A、B将最终以共同速度运动
以向右为正方向,由动量守恒定律得:m1v1=(m1+2m2)v2,代入数据解得:v2=2m/s,
由能量守恒定律得,系统产生的热量:,
代入数据:v2=2m/s解得:μ1=0.6,所以μ1≥0.6;
答:(1)物块到达圆轨道最低点D时所受轨道的支持力为46N.
(2)若物块滑上木板A时,木板不动,而滑上木板B时,木板B开始滑动,μ1应满足的条件是0.4<μ1≤0.6.
(3)若地面光滑,物块滑上木板后,木板A,B最终共同运动,μ1应满足的条件是μ1≥0.6.
解析
解:(1)物块由A到D机械能定恒,
由机械能守恒定律得:,
代入数据解得:v1=6m/s,
在D点,由牛顿第二定律得:
,代入数据解得:N=46N;
(2)当物块滑上木板A时,木板不动,由受力分析
μ1m1g≤μ2(m1+2m2)g,解得:μ1≤0.6,
物块能滑上木板B,须满足:,解得:μ1<0.9,
当物块滑上木板B时,木板B开始滑动,由受力分析
μ1m1g>μ2(m1+m2)g,解得:μ1>0.4,
综上所述,可知:0.4<μ1≤0.6;
(3)当物块刚好运动到木板A的右端时两者共速,则A、B将最终以共同速度运动
以向右为正方向,由动量守恒定律得:m1v1=(m1+2m2)v2,代入数据解得:v2=2m/s,
由能量守恒定律得,系统产生的热量:,
代入数据:v2=2m/s解得:μ1=0.6,所以μ1≥0.6;
答:(1)物块到达圆轨道最低点D时所受轨道的支持力为46N.
(2)若物块滑上木板A时,木板不动,而滑上木板B时,木板B开始滑动,μ1应满足的条件是0.4<μ1≤0.6.
(3)若地面光滑,物块滑上木板后,木板A,B最终共同运动,μ1应满足的条件是μ1≥0.6.
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