- 能量转化与守恒定律
- 共241题
固定在水平地面上光滑斜面倾角为θ,斜面底端固定一个与斜面垂直的挡板,一木板A被放在斜面上,其下端离地面高为H,上端放着一个小物块B,如图所示。木板和物块的质量均为m,相互间最大静摩擦力等于滑动摩擦力kmgsinθ(k>1),把它们由静止释放,木板与挡板发生碰撞时,时间极短,无动能损失,而物块不会与挡板发生碰撞,求:
(1)木板第一次与挡板碰撞弹回沿斜面上升过程中,物块B的加速度;
(2)从释放木板到木板与挡板第二次碰撞的瞬间,木板A运动的路程s;
(3)从释放木板到木板和物块都静止,木板和物块系统损失的机械能。
正确答案
解:(1)由静止释放木板和物块后,它们一起做加速运动,相互间无摩擦力,木板与挡板碰撞后,物块受沿斜面向上的滑动摩擦力,设木板第一次弹回上升过程中,物块的加速度为a1,据牛顿第二定律有
kmgsinθ-mgsinθ=ma1
解得a1=(k-1)gsinθ,方向沿斜面向上
(2)设以地面为零势能面,木板第一次与挡板碰撞时的速度大小为v1
由机械能守恒,解得
设木板弹回后的加速度大小为a2,据牛顿第二定律有
a2=(k+1)gsinθ,方向沿斜面向下
A板第一次弹回的最大路程,解得
木板运动的路程
(3)设物块相对木板滑动距离为L,根据能量守恒有mgH+mg(H+Lsinθ)=kmgsinθL
木板和物块系统损失的机械能E损=kmgsinθL
解得E损=
一轻质细绳一端系一质量为m=0.05kg的小球A,另一端挂在光滑水平轴O上,O到小球的距离为L=0.1m,小球跟水平面接触,但无相互作用,在球的两侧等距离处分别固定一个光滑的斜面和一个挡板,如图所示,水平距离s=2m。现有一滑块B,质量也为m,从斜面上滑下,与小球发生碰撞,每次碰后,滑块与小球速度均交换,已知滑块与挡板碰撞时不损失机械能,水平面与滑块间的动摩擦因数为μ=0.25,若不计空气阻力,并将滑块和小球都视为质点,g取10m/s2,试问:
(1)若滑块B从斜面某一高度h处滑下与小球第一次碰撞后,使小球恰好在竖直平面内做圆周运动,求此高度h;
(2)若滑块B从h'=5m处下滑与小球碰撞后,小球在竖直平面内做圆周运动,求小球做完整圆周运动的次数。
正确答案
解:(1)小球刚能完成一次完整的圆周运动,它到最高点的速度为v0,
在最高点,仅有重力充当向心力,则有①
在小球从最低点运动到最高点的过程中,机械能守恒,
并设小球在最低点速度为v,则又有②
解①②有m/s
滑块从h高处运动到将与小球碰撞时速度为v2,对滑块由能的转化及守恒定律有 因弹性碰撞后速度交换
m/s,解上式有h=0.5m
(2)若滑块从h/=5m处下滑到将要与小球碰撞时速度为u,同理有③
解得
滑块与小球碰后的瞬间,同理滑块静止,小球以的速度开始作圆周运动,
滑块和小球最后一次碰撞时速度为至少
滑块最后停在水平面上,它通过的路程为,同理有⑤
小球做完整圆周运动的次数为⑥
解⑤、⑥得,n=10次。
如图所示放在水平面上的小车上表面水平,AB是半径为R的1/4光滑圆弧轨道,下端B的切线水平且与平板车上表面平齐,车的质量为M。现有一质量为m的小滑块,从轨道上端A处无初速释放,滑到B端后,再滑到平板车上。若车固定不动,小滑块恰不能从车上掉下。(重力加速度为g)
(1)求滑块到达B端之前瞬间所受支持力的大小;
(2)求滑块在车上滑动的过程中,克服摩擦力做的功;
(3)若车不固定,且地面光滑,把滑块从A点正上方的P点无初速释放,P点到A点的高度为h,滑块从A点进入轨道,最后恰停在车的中点,求车的最大速度。
正确答案
解:(1)根据机械能守恒有: ①
根据牛顿第二定律有: ②
联立①②两式,得轨道对滑块的支持力:FN=3mg ③
(2)滑块在车上滑动过程中,克服摩擦力做的功W=mgR ④
(3)方法一:因滑块最后恰停在车的中点,所以因摩擦而产生的内能 ⑤
滑块与车速度相同时,车速最大,设为v2,根据能量守恒有: ⑥
联立⑤⑥解得: ⑦
方法二:滑块到B点速度为
滑块最后恰停在车的中点时,滑块与车速度相同,车速最大,设为v3
mv2=(M+m)v3
解得:
如图所示,坡度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,从斜面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,一端与质量为m2的挡板B相连,弹簧处于原长时,B恰位于滑道的末湍O点。A与B碰撞时间极短,碰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均为μ,其余各处的摩擦不计,重力加速度为g,求:
(1)物块A在与挡板B碰撞前的瞬间速度v的大小;
(2)弹簧最大压缩量为d时的弹簧势能EP(设弹簧处于原长时弹性势能为零)。
正确答案
解:(1)由机械能守恒定律得: ①
②
(2)A、B在碰撞过程中内力远大于外力,由动量守恒,有: ③
A、B克服摩擦力所做的功: ④
由能量守恒定律,有: ⑤
解得:
如图所示,一竖直光滑绝缘的管内有一劲度系数为k的绝缘弹簧,其下端固定于地面,上端与一质量为m,带电量为+q的小球A相连,整个空间存在一竖直向上的匀强电场,小球A静止时弹簧恰为原长。另一质量也为m的不带电的绝缘小球B从距A为x0的P点由静止开始下落,与A发生碰撞后一起向下运动(全过程中小球A的电量不发生变化,重力加速度为g)。
(1)若x0已知,试求B与A碰撞过程中损失的机械能;
(2)若x0未知,且B与A在最高点恰未分离,试求A,B运动 到最高点时弹簧的形变量;
(3)在满足第(2)问的情况下,试求A,B运动过程中的最大速度。
正确答案
解:(1)设匀强电场的场强为E,在碰撞前A静止时有qE=mg ①
解得
在与A碰撞前B的速度为v0,由机械能守恒定律得 ②
B与A碰撞后共同速度为v1,由动量守恒定律得mv0=2mv1 ③
B与A碰撞过程中损失的机械能△E为 ④
(2)A,B在最高点恰不分离,此时A,B加速度相等,且它们间的弹力为零,设此时弹簧的伸长量为x1,则
对B:mg=ma ⑤
对A:mg+kx1-qE=ma ⑥
所以弹簧的伸长量为
(3)A,B一起运动过程中合外力为零时,具有最大速度vm,设此时弹簧的压缩量为x2,则
2mg-(qE+kx2)=0 ⑦
由于x1=x2,说明A,B在最高点处与合外力为零处弹簧的弹性势能相等,对此过程由能量守恒定律得
⑧
解得
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