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- 2021-05-13 发布
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9 第三节 机械能守恒定律
一、单项选择题
1.据报道,在北京国家体育场“鸟巢”进行的2015年国际田联世界田径锦标赛女子撑杆跳决赛中,古巴选手席尔瓦以4米90的成绩夺得冠军.如果把撑杆跳全过程分成四个阶段:a→b、b→c、c→d、d→e,如图所示,则对这四个阶段的描述正确的是( )
A.a→b阶段:人加速助跑,人和杆的机械能不变
B.b→c阶段:杆弯曲、人上升,系统动能减少,重力势能和弹性势能增加
C.c→d阶段:杆伸直、人上升,人的动能减少量等于重力势能增加量
D.d→e阶段:人过横杆后下落,重力所做的功等于人机械能的增加量
解析:选B.a→b阶段:人加速助跑,人和杆的机械能增大,选项A错误;b→c阶段:人与杆组成的系统机械能守恒,系统动能减少,重力势能和弹性势能增加,选项B正确;c→d阶段:人与杆组成的系统机械能守恒,杆伸直、人上升,动能减少量与弹性势能的减少量之和等于重力势能的增加量,选项C错误;d→e阶段:人过横杆后下落,重力所做的功等于人重力势能的减少量,选项D错误.
2.
(2018·无锡模拟)如图所示,斜劈劈尖顶着竖直墙壁静止于水平面上,现将一小球从图示位置静止释放,不计一切摩擦,则在小球从释放到落至地面的过程中,下列说法正确的是( )
A.斜劈对小球的弹力不做功
B.斜劈与小球组成的系统机械能守恒
C.斜劈的机械能守恒
D.小球重力势能减少量等于斜劈动能的增加量
解析:选B.不计一切摩擦,小球下滑时,小球和斜劈组成的系统只有小球的重力做功,小球重力势能减少量等于斜劈和小球的动能增加量,系统机械能守恒,B正确,C、D错误;斜劈对小球的弹力与小球位移间夹角大于90°,故弹力做负功,A错误.
3.
8
(2018·苏州模拟)如图所示,可视为质点的小球A、B用不可伸长的细软轻线连接,跨过固定在地面上半径为R的光滑圆柱,A的质量为B的两倍.当B位于地面时,A恰与圆柱轴心等高.将A由静止释放,B上升的最大高度是( )
A.2R B. C. D.
解析:选C.设A、B的质量分别为2m、m,当A落到地面上时,B恰好运动到与圆柱轴心等高处,以A、B整体为研究对象,则A、B组成的系统机械能守恒,故有2mgR-mgR=(2m+m)v2,A落到地面上以后,B仍以速度v竖直上抛,上升的高度为h=,解得h=R,故B上升的总高度为R+h=R,选项C正确.
4.静止在地面上的物体在竖直向上的恒力作用下上升,在某一高度撤去恒力.不计空气阻力,在整个过程中,物体机械能随时间变化关系正确的是( )
解析:选C.以地面为零势能面,以竖直向上为正方向,则对于物体,在撤去外力前,有F-mg=ma,h=at2,某一时刻的机械能E=ΔE=F·h,联立以上各式得E=·t2∝t2,撤去外力后,物体机械能守恒,故只有C正确.
5.
(2018·连云港段考)如图所示,将质量为2m的重物悬挂在轻绳的一端,轻绳的另一端系一质量为m的环,环套在竖直固定的光滑直杆上,光滑定滑轮与直杆的距离为d.现将环从与定滑轮等高的A处由静止释放,当环沿直杆下滑距离也为d时(图中B处),下列说法正确的是(重力加速度为g)( )
A.环刚释放时轻绳中的张力等于2mg
B.环到达B处时,重物上升的高度为(-1)d
C.环在B处的速度与重物上升的速度大小之比为
8
D.环减少的机械能大于重物增加的机械能
解析:选B.环释放后重物加速上升,故绳中张力一定大于2mg,A项错误;环到达B处时,绳与直杆间的夹角为45°,重物上升的高度h=(-1)d,B项正确;如图所示,将B处环速度v进行正交分解,重物上升的速度与其分速度v1大小相等,v1=vcos 45°=v,所以,环在B处的速度与重物上升的速度大小之比等于,C项错误;环和重物组成的系统机械能守恒,故D项错误.
6.
如图所示,在高1.5 m的光滑平台上有一个质量为2 kg的小球被一细线拴在墙上,球与墙之间有一根被压缩的轻质弹簧.当烧断细线时,小球被弹出,小球落地时的速度方向与水平方向夹角为60°,则弹簧被压缩时具有的弹性势能为(g=10 m/s2)( )
A.10 J B.15 J
C.20 J D.25 J
解析:选A.由h=gt2,tan 60°==,可得v0= m/s,由小球被弹射过程中小球和弹簧组成的系统机械能守恒得,Ep=mv=10 J,A正确.
二、多项选择题
7.
把质量是0.2 kg的小球放在竖立的弹簧上,并把球往下按至A的位置,如图甲所示.迅速松手后,弹簧把球弹起,球升至最高位置C(图丙).途中经过位置B时弹簧正好处于自由状态(图乙).已知B、A的高度差为0.1 m,C、B的高度差为 0.2 m,弹簧的质量和空气阻力都可以忽略,重力加速度g=10 m/s2.则下列说法正确的是( )
A.小球从A上升至B的过程中,弹簧的弹性势能一直减小,小球的动能一直增加
8
B.小球从B上升到C的过程中,小球的动能一直减小,势能一直增加
C.小球在位置A时,弹簧的弹性势能为0.6 J
D.小球从位置A上升至C的过程中,小球的最大动能为 0.4 J
解析:选BC.小球从A上升到B的过程中,弹簧的形变量越来越小,弹簧的弹性势能一直减小,小球在A、B之间某处的合力为零,速度最大,对应动能最大,选项A错误;小球从B上升到C的过程中,只有重力做功,机械能守恒,动能减少,势能增加,选项B正确;根据机械能守恒定律,小球在位置A时,弹簧的弹性势能为Ep=mghAC=0.2×10×0.3 J=0.6 J,选项C正确;小球在B点时的动能为Ek=mghBC=0.4 J<Ekm,选项D错误.
8.
某娱乐项目中,参与者抛出一小球去撞击触发器,从而进入下一关.现在将这个娱乐项目进行简化,假设参与者从触发器的正下方以速率v竖直上抛一小球,小球恰好击中触发器.若参与者仍在刚才的抛出点,沿A、B、C、D四个不同的光滑轨道分别以速率v抛出小球,如图所示.则小球能够击中触发器的可能是( )
解析:选CD.竖直上抛时小球恰好击中触发器,则由-mgh=0-mv2,h=2R得v=2.沿图A中轨道以速率v抛出小球,小球沿光滑圆弧内表面做圆周运动,到达最高点的速率应大于或等于,所以小球不能到达圆弧最高点,即不能击中触发器.沿图B中轨道以速率v抛出小球,小球沿光滑斜面上滑一段后做斜抛运动,最高点具有水平方向的速度,所以也不能击中触发器.图C及图D中小球在轨道最高点速度均可以为零,由机械能守恒定律可知小球能够击中触发器.
9.
(2018·苏北四市调研)如图所示,固定在竖直面内的光滑圆环半径为R,圆环上套有质量分别为m和2m的小球A、B(均可看做质点),且小球A、B用一长为2R的轻质细杆相连,
8
在小球B从最高点由静止开始沿圆环下滑至最低点的过程中(已知重力加速度为g),下列说法正确的是( )
A.A球增加的机械能等于B球减少的机械能
B.A球增加的重力势能等于B球减少的重力势能
C.A球的最大速度为
D.细杆对A球做的功为mgR
解析:选AD.系统机械能守恒的实质可以理解为是一种机械能的转移,此题的情景就是A球增加的机械能等于B球减少的机械能,A对,B错;根据机械能守恒定律有:2mg·2R-mg·2R=×3mv2,所以A球的最大速度为 ,C错;根据功能关系,细杆对A球做的功等于A球增加的机械能,即WA=mv2+mg·2R=mgR,故D对.
10.(2018·南京高三模拟)如图所示,在竖直平面内半径为R的四分之一圆弧轨道AB、水平轨道BC与斜面CD平滑连接在一起,斜面足够长.在圆弧轨道上静止着N个半径为r(r≪R)的光滑小球(小球无明显形变),小球恰好将圆弧轨道铺满,从最高点A到最低点B依次标记为1、2、3……N.现将圆弧轨道末端B处的阻挡物拿走,N个小球由静止开始沿轨道运动,不计摩擦与空气阻力,下列说法正确的是( )
A.N个小球在运动过程中始终不会散开
B.第1个小球从A到B过程中机械能守恒
C.第1个小球到达B点前第N个小球做匀加速运动
D.第1个小球到达最低点的速度v<
解析:选AD.在下滑的过程中,水平面上的小球要做匀速运动,而曲面上的小球要做加速运动,则后面的小球对前面的小球有向前挤压的作用,所以小球之间始终相互挤压,冲上斜面后后面的小球把前面的小球往上压,所以小球之间始终相互挤压,故N个小球在运动过程中始终不会散开,故A正确;第一个小球在下落过程中受到挤压,所以有外力对小球做功,小球的机械能不守恒,故B错误;由于小球在下落过程中速度发生变化,相互间的挤压力变化,所以第N个小球不可能做匀加速运动,故C错误;小球整体的重心运动到最低点的过程中,根据机械能守恒定律得:mv2=mg·,解得:v=;同样对整体在AB段时,重心低于,所以第1个小球到达最低点的速度v<,故D正确.
8
三、非选择题
11.(2018·扬州市高三调研测试)游乐场的过山车可以底朝上在圆轨道上运行,游客不会掉下来,如图甲所示.我们把这种情形抽象为如图乙所示的模型:弧形轨道的下端与竖直圆轨道相接,使质量为m的小球从弧形轨道上端滚下,小球从圆轨道下端进入后沿圆轨道运动.如果已知圆轨道的半径为R,重力加速度为g,不考虑阻力.求:
(1)若小球从高为h处由静止释放,小球到达圆轨道底端时对轨道的压力;
(2)若要使小球运动过程中不脱离轨道,小球由静止释放时的高度满足的条件;
(3)若让小球从高为h=2R处的A点由静止释放,小球所能达到的最大高度.
解析:(1)由动能定理得mgh=mv2
FN-mg=m
FN=mg+m=mg
根据牛顿第三定律可知,小球到达圆轨道底端时对轨道的压力大小为F′N=FN=mg,方向竖直向下.
(2)第一种可能:到达最高点,有v1≥
由机械能守恒得mgh=mv+mg·2R
解得h≥R
第二种可能:小球到达与圆心等高处
由机械能守恒得mgh=mgR
h=R
所以h≥R或h≤R.
8
(3)h=2R
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