- 能量转化与守恒定律
- 共241题
如图所示,光滑绝缘水平桌面上固定一绝缘挡板P,质量分别为mA和mB的小物块A和B(可视为质点)分别带有和
的电荷量,两物块由绝缘的轻弹簧相连,一不可伸长的轻绳跨过定滑轮,一端与物块B连接,另一端连接轻质小钩。整个装置处于正交的场强大小为E、方向水平向左的匀强电场和磁感应强度大小为B 、方向水平向里的匀强磁场中。物块A、B 开始时均静止,已知弹簧的劲度系数为K,不计一切摩擦及AB间的库仑力,物块A、B所带的电荷量不变,B不会碰到滑轮,物块A、B均不离开水平桌面。若在小钩上挂一质量为M的物块C并由静止释放,可使物块A对挡板P的压力为零,但不会离开P,则
(1)求物块C下落的最大距离;
(2)求小物块C下落到最低点的过程中,小物块B的电势能的变化量、弹簧的弹性势能变化量;
(3)若C的质量改为2M,求小物块A刚离开挡板P时小物块B的速度大小以及此时小物块B对水平桌面的压力。
正确答案
解:(1)开始时弹簧的形变量为,对物体B由平衡条件可得:
设A刚离开挡板时,弹簧的形变量为,对物块B由平衡条件可得:
故C下降的最大距离为:
(2)物块C由静止释放下落至最低点的过程中,B的电势能增加量为:
由能量守恒定律可知:物块由静止释放至下落至最低点的过程中,c的重力势能减小量等于B的电势能的增量和弹簧弹性势能的增量,即:
解得:
(3)当C的质量为2M时,设A刚离开挡板时B的速度为V,由能量守恒定律可知:
解得A刚离开P时B的速度为:
因为物块AB均不离开水平桌面,所以对物块B竖直方向受力平衡:
解得:
如图所示,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,自然状态时其右端位于B点。D点位于水桌面最右端,水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP,其形状为半径R=0.8m的圆环剪去了左上角135°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离为R,P点到桌面右侧边缘的水平距离为2R。用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点。用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点释放,物块过B点后其位移与时间的关系为,物块从D点飞离桌面后恰好由P点沿切线落入圆轨道。g=10m/s2,求:
(1)BD间的水平距离;
(2)判断m2能否沿圆轨道到达M点;
(3)m2释放后在桌面上运动的过程中克服摩擦力做的功。
正确答案
解:(1)设物块块由D点以初速做平抛,落到P点时其竖直速度为
,得
m/s
或设平抛用时为t,则
在竖直方向上:
在水平方向上:
可得
在桌面上过B点后初速m/s,加速度
m/s2
BD间位移为m
(2)若物块能沿轨道到达M点,其速度为,由机械能守恒定律得:
轨道对物块的压力为FN,则
解得,即物块不能到达M点
(3)设弹簧长为AC时的弹性势能为Ep,物体与桌面间的动摩擦因数为μ
释放m1时,
释放m2时,
且
可得J
m2释放后在桌面上运动过程中克服摩擦力做功为Wf则由能量转化与守恒定律得:
可得
如图所示,固定斜面的倾角θ=30°,物体A与斜面之间的动摩擦因数为μ=,轻弹簧下端固定在斜面底端,弹簧处于原长时上端位于C点.用一根不可伸长的轻绳通过轻质光滑的定滑轮连接物体A和B,滑轮右侧绳子与斜面平行,A的质量为4kg,B的质量为2kg,初始时物体A到C点的距离为L=1m.现给A、B一初速度v0=3m/s使A开始沿斜面向下运动,B向上运动,物体A将弹簧压缩到最短后又恰好能弹到C点.已知重力加速度为g=10m/s2,不计空气阻力,整个过程中,轻绳始终处于伸直状态,求此过程中:
(1)物体A沿斜面向下运动时的加速度大小;
(2)物体A向下运动刚到C点时的速度大小;
(3)弹簧的最大压缩量和弹簧中的最大弹性势能.
正确答案
(1)物体A沿斜面向下运动时,B向上做运动,两者加速度大小相等,以AB整体为研究对象,根据牛顿第二定律得
a=
代入解得 a=-2.5m/s2.
(2)由v2-=2aL得 v=
=2m/s
(3)设弹簧的最大压缩量为x.物体A将弹簧压缩到最短后又恰好能弹到C点,整个过程中,弹簧的弹力和重力对A做功均为零.设A的质量为2m,B的质量为m,根据动能定理得
-μ•2mgcosθ•2x=0-•3mv2
得 x=0.4m
弹簧从压缩最短到恰好能弹到C点的过程中,对系统根据能量关系有
Ep+mgx=2mgxsinθ
因为mgx=2mgxsin θ
所以Ep=fx=mv2-
μmgL=6J
答:(1)物体A沿斜面向下运动时的加速度大小是2.5m/s2;
(2)物体A向下运动刚到C点时的速度大小是2m/s;
(3)弹簧的最大压缩量是0.4m,弹簧中的最大弹性势能是6J.
如图所示为某同学设计的节能运输系统。斜面轨道的倾角为37°,木箱与轨道之间的动摩擦因数μ=0.25。设计要求:木箱在轨道顶端时,自动装货装置将质量m=2 kg的货物装入木箱,木箱载着货物沿轨道无初速滑下,当轻弹簧被压缩至最短时,自动装货装置立刻将货物卸下,然后木箱恰好被弹回到轨道顶端,接着再重复上述过程。若g取10 m/s2,sin37°=0.6 ,cos37°=0.8。求:
(1)离开弹簧后,木箱沿轨道上滑的过程中的加速度大小;
(2)满足设计要求的木箱质量。
正确答案
解:(1)设木箱质量为m′,对木箱的上滑过程,由牛顿第二定律有:
m′gsin 37°+μm′gcos 37°=m′a
代入数据解得:a=8 m/s2(2)设木箱沿轨道下滑的最大距离为L,弹簧被压缩至最短时的弹性势能为Ep,根据能量守恒定律:
货物和木箱下滑过程中有:(m′+m)gsin37°L=μ(m′+m)gcos37°L+Ep
木箱上滑过程中有Ep=m′gsin37°L+μm′gcos37°L
联立代入数据解得:m′=m=2 kg
如图所示,某人乘雪橇从雪坡经A点滑至B点,接着沿水平路面滑至C点停止.人与雪橇的总质量为70kg.表中记录了沿坡滑下过程中的有关数据,请根据图表中的数据解决下列问题:
(1)人与雪橇从A到B的过程中,损失的机械能为多少?
(2)设人与雪橇在BC段所受阻力恒定,求阻力大小(g=10m/s2)
正确答案
(1)从A到B的过程中,人与雪橇损失的机械能为:△E=mgh+m
-
m
△E=(70×10×20+×70×2.02-
×70×12.02)J=9100J.
(2)人与雪橇在Bc段做减速运动的加速度:a==
m/s=-2m/s2
根据牛顿第二定律:f=ma=70×(-2)N=-140N.
答:(1)人与雪橇从A到B的过程中,损失的机械能为9100J.
(2)设人与雪橇在BC段所受阻力的大小为140N.
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