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- 2021-05-24 发布
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能力导练二十一 机械能守恒定律
基础巩固
1.以下说法正确的是( )
A.机械能守恒时,物体一定只受重力和弹力作用
B.物体处于平衡状态时,机械能一定守恒
C.物体所受合外力不为零时,其机械能可能守恒
D.物体机械能的变化等于合外力对物体做的功
解析:机械能守恒时,只有重力或弹力做功,但可以受其他外力作用,外力所做的功为零即可,故A错误;物体处于平衡状态时机械能不一定守恒,如在竖直方向匀速上升的物体,其机械能一直增大,故B错误;若物体做各种抛体运动时,只受重力作用,则机械能守恒,故C正确;若合外力仅为重力对物体做功,不会引起机械能变化,如在光滑斜面上向下滑动的物体,不要与动能定理混为一谈,故D错误.
答案:C
2.下列四个选项的图中,木块均在固定的斜面上运动,其中选项A、B、C中斜面是光滑的,选项D中的斜面是粗糙的,选项A、B中的F为木块所受的外力,方向如图中箭头所示,选项A、B、D中的木块向下运动,选项C中的木块自由向上滑行运动.在这四个图所示的运动过程中木块机械能守恒的是( )
10
解析:根据机械能守恒条件:只有重力(或弹力)做功的情况下,物体的机械能才能守恒,由此可见,A、B均有外力F参与做功,D中有摩擦力做功,故A、B、D均不符合机械能守恒的条件,故答案为C.
答案:C
3.(2019年哈尔滨六中二模)以水平面为零势能面,则小球水平抛出时重力势能等于动能的2倍,那么在抛体运动过程中,当其动能和势能相等时,水平速度和竖直速度之比为( )
A.∶1 B.1∶1
C.1∶ D.∶1
解析:最高点处时mgh=2Ek=mv02,解得v0=.设动能和势能相等时,高度为h′;由机械能守恒定律可知:mgh′+mv2=mgh+mv02,联立解得:h′=,则竖直分速度vy==,故水平速度和竖直速度之比为:v0∶vy=∶1,故选D.
答案:D
4.从地面以初速度v0竖直上抛一个小球,不计空气阻力,小球运动过程中的动能Ek与小球离地面高度h的关系是选项中的( )
解析:小球运动过程中机械能守恒,取地面为零势能参考平面,有mv02=Ek+mgh,解得Ek=mv02-mgh,B正确.
答案:B
10
图1
5.(2019年四川宜宾江安二模)(多选)如图1所示,一根不可伸长的轻绳两端各系一个小球a和b,跨在两根固定在同一高度的光滑水平细杆上,质量为3 m的a球置于地面上,质量为m的b球从水平位置静止释放,当a球对地面压力刚好为零时,b球摆过的角度为θ.下列结论正确的是( )
A.θ=90°
B.θ=45°
C.b球摆动到最低点的过程中,重力对小球做功的功率先增大后减小
D.b球摆动到最低点的过程中,重力对小球做功的功率一直增大
解析:假设小球a静止不动,小球b下摆到最低点的过程中机械能守恒,有mgR=mv2①;在最低点,有F-mg=m②;联立①②解得F=3mg.故a小球一直保持静止,假设成立,当小球b摆到最低点时,小球a恰好对地面无压力,故A正确,B错误;小球b加速下降过程,速度与重力的夹角不断变大,刚开始,速度为零,故功率为零,最后重力与速度垂直,故功率也为零,故功率先增大后减小,故C正确,D错误;故选AC.
答案:AC
6.如图2所示,半径为r和R(rr,则Ek1m)的滑块,通过不可伸长的轻绳跨过定滑轮连接,轻绳与斜面平行.两滑块由静止释放后,沿斜面做匀加速运动.若不计滑轮的质量和摩擦,在两滑块沿斜面运动的过程中( )
A.两滑块组成系统的机械能守恒
B.重力对M做的功等于M动能的增加
C.轻绳对m做的功等于m机械能的增加
D.两滑块组成系统的机械能损失等于M克服摩擦力做的功
解析:机械能守恒定律的条件是没有非机械能形式的参与转化,本情景有摩擦热产生,故机械能减少,减少的机械能等于产生的摩擦热,也等于M克服摩擦力做的功,所以A不正确,D正确.根据动能定理,合外力做的功等于动能的增加,所以B不正确.根据功能关系,除重力和弹簧的弹力之外的力做的功等于机械能的增加,所以C正确.
答案:CD
10
图8
12.如图8所示,位于竖直平面内的光滑轨道,由一段斜的直轨道和与之相切的圆形轨道连接而成,圆形轨道的半径为R.一质量为m的小物块从斜轨道上某处由静止开始下滑,然后沿圆形轨道运动到最高点,且在最高点与轨道间的压力不能超过5mg(g为重力加速度).求物块初始位置相对圆形轨道底部的高度h的取值范围.
解析:设物块在圆形轨道最高点的速度为v,
由机械能守恒得mgh=2mgR+mv2①
物块在最高点,设轨道压力为N,
有mg+N=m②
物块能通过最高点的条件N≥0③
由②③两式得v≥④
由①④式得h≥R⑤
按题意的要求N≤5mg,由②式得v≤⑥
由①⑥式得h≤5R⑦
所以h的取值范围是R≤h≤5R.
答案:R≤h≤5R
13.
图9
10
如图9所示,质量分别为3 kg和5 kg的物体A、B,用轻绳连接跨在一个定滑轮两侧,轻绳刚好拉直,且A物体底面与地面接触,B物体距地面0.8 m,求:放开B物体,当B物体着地时A物体的速度;B物体着地后A物体还能上升多高?(g取10 m/s2)
解析:解法1:由E1=E2得
对A、B组成的系统,当B下落时系统的机械能守恒,以地面为零势能面,则mBgh=mAgh+(mA+mB)v2
v== m/s
=2 m/s.
解法2:由ΔEk增=ΔEp减得
mBgh-mAgh=(mA+mB)v2,解得v=2 m/s.
方法3:由ΔEA增=ΔEB减得
mBgh-mBv2=mAgh+mAv2,解得v=2 m/s.
当B落地后,A以2 m/s的速度竖直上抛,则A上升的高度由机械能守恒得mAgh′=mAvA2,得
h′== m=0.2 m.
答案:2 m/s 0.2 m
探究拓展
14.如图10所示,竖直平面内的圆弧形光滑管道半径略大于小球半径,管道中心到圆心距离为R,A点与圆心O等高,AD为水平面,B点在O的正下方,小球自A点正上方由静止释放,自由下落至A点时进入管道,当小球到达B点时.管壁对小球的弹力大小为小球重力大小的9倍,求:
10
(1)释放点距A点的竖直高度;
(2)落点C与A的水平距离.
图10
解析:(1)因为到达B点时管壁对小球的弹力大小为小球重力大小的9倍,设小球到达B点的速度为v1
则有:9mg-mg=m,
又由机械能守恒定律有mg(h+R)=mv12,
由此可解得h=3R.
(2)设小球到达最高点的速度为v2,落点C与A的水平距离为x.由机械能守恒定律有mv12=mv22+2mgR
由平抛运动规律有R=gt2,R+x=v2t
由此可解得x=(2-1)R.
答案:(1)3R (2)(2-1)R
10
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