- 能量转化与守恒定律
- 共241题
装甲车和战舰采用多层钢板比采用同样质量的单层钢板更能抵御穿甲弹的射击。通过对一下简化模型的计算可以粗略说明其原因。质量为2m、厚度为2d的钢板静止在水平光滑桌面上。质量为m的子弹以某一速度垂直射向该钢板,刚好能将钢板射穿。现把钢板分成厚度均为d、质量均为m的相同两块,间隔一段距离水平放置,如图所示。若子弹以相同的速度垂直射向第一块钢板,穿出后再射向第二块钢板,求子弹射入第二块钢板的深度。设子弹在钢板中受到的阻力为恒力,且两块钢板不会发生碰撞不计重力影响。
正确答案
解:设子弹的初速为v0,穿过2d厚度的钢板时共同速度为v,受到阻力为f
对系统由动量和能量守恒得: ①
②
由①②得: ③
子弹穿过第一块厚度为d的钢板时,设其速度为v1,此时钢板的速度为u,穿第二块厚度为d的钢板时共同速度为v2,穿过深度为d'
对子弹和第一块钢板系统由动量和能量守恒得: ④
⑤
由③④⑤得: ⑥
对子弹和第二块钢板系统由动量和能量守恒得: ⑦
⑧
由③⑥⑦⑧得:
如图所示,ABCDE是由三部分光滑轨道平滑连接在一起组成的,AB为水平轨道,BCD是半径为R的半圆弧轨道,DE是半径为2R的圆弧轨道,BCD与DE连接在轨道最高点D,R=0.6m。质量为M=0.99 kg的小物块,静止在AB轨道上,一颗质量为m=0.01 kg子弹水平射入物块但未穿出,物块与子弹一起运动,恰能贴着BCDE轨道内侧通过最高点D。取重力加速度g=10 m/s2,求:
(1)物块与子弹一起刚滑上圆弧轨道B点的速度;
(2)子弹击中物块前的速度;
(3)系统损失的机械能。
正确答案
解:(1)由物块与子弹一起恰能通过轨道最高点D,得:
又由物块与子弹上滑过程中根据机械能守恒得:
代入数据得:
(2)由动量守恒:mv=(M+m)vB
v=600 m/s
(3)根据能的转化和守恒定律得:
代入数据得:
两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内,两导轨间的距离为L,导轨上面横放着两根导体棒ab和cd,构成矩形回路,如图所示,两根导体棒的质量皆为m,电阻皆为R,回路中其余部分的电阻可不计,在整个导轨平面内都有垂直于轨道面竖直向上的匀强磁场,磁感应强度为B,设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行,开始时,棒cd静止,棒ab有指向棒cd的初速度υ0。若两导体棒在运动中始终不接触,求:
(1)在运动中产生的焦耳热量是多少?
(2)当ab棒的速度变为初速度的时,cd棒的加速度是多少?
正确答案
解:(1)由动量守恒定律得:
∴ , 由能量守恒可知:
∴
(2)由动量守恒得:
∴
∴回路中的电动势为:
安培力: ,且
,
∴
质量为M的滑块由水平轨道和竖直平面内的四分之一光滑圆弧轨道组成,放在光滑的水平面上。质量为m的物块从圆弧轨道的最高点由静止开始滑下,以速度v从滑块的水平轨道的左端滑出,如图所示。已知M:m=3:1,物块与水平轨道之间的动摩擦因数为μ,圆弧轨道的半径为R。
(1)求物块从轨道左端滑出时,滑块M的速度的大小和方向;
(2)求水平轨道的长度;
(3)若滑块静止在水平面上,物块从左端冲上滑块,要使物块m不会越过滑块,求物块冲上滑块的初速度应满足的条件。
正确答案
解:(1)对于滑块M和物块m组成的系统,物块沿轨道滑下的过程中,水平方向动量守恒,物块滑出时,有
滑块M的速度,方向向右
(2)物块滑下的过程中,物块的重力势能,转化为系统的动能和内能,有
解得
(3)物块以速度v0冲上轨道,初速度越大,冲上圆弧轨道的高度越大。若物块刚能达到最高点,两者有相同的速度V1,此为物块不会越过滑块的最大初速度。对于M和m组成的系统,水平方向动量守恒,有
相互作用过程中,系统的总动能减小,转化为内能和重力势能,有
解得
要使物块m不会越过滑块,其初速度
如图所示,质量M=1.0kg的木块随传送带一起以v=2.0m/s的速度向左匀速运动,木块与传送带间的动摩擦因数μ=0.50。当木块运动至最左端A点时,一颗质量为m=20g的子弹以v0=3.0×102m/s水平向右的速度击穿木块,穿出时子弹速度v1=50m/s。设传送带的速度恒定,子弹击穿木块的时间极短,且不计木块质量变化,g=10m/s2。求:
(1)在被子弹击穿后,木块向右运动距A点的最大距离;
(2)子弹击穿木块过程中产生的内能;
(3)从子弹击穿木块到最终木块相对传送带静止的过程中,木块与传送带间由于摩擦产生的内能。
正确答案
解:(1)设木块被子弹击穿时的速度为u,子弹击穿木块过程动量守恒
mv0-Mv=mv1+Mu,解得u=3.0m/s
设子弹穿出木块后,木块向右做匀减速运动的加速度为a,根据牛顿第二定律
μmg=ma,解得a=5.0m/s2
木块向右运动到离A点最远时,速度为零,设木块向右移动最大距离为s1
u2=2as1,解得s1=0.90m
(2)根据能量守恒定律可知子弹射穿木块过程中产生的内能为
E=
解得E=872.5J
(3)设木块向右运动至速度减为零所用时间为t1,然后再向左做加速运动,经时间t2与传送带达到相对静止,木块向左移动的距离为s2。根据运动学公式
v2=2as2,解得s2=0.40m
t1==0.60s,t2=
=0.40s
木块向右减速运动的过程中相对传送带的位移为=2.1m
产生的内能Q1=μMg=10.5J
木块向左加速运动的过程中相对传送带的位移为=vt2-s2=0.40m
产生的内能Q2=μMg=2.0J
所以整个过程中木块与传送带摩擦产生的内能Q=Q1+Q2=12.5J
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