- 能量转化与守恒定律
- 共241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。
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
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