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- 2021-05-26 发布
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能力导练二十 动能和动能定理
基础巩固
1.(多选)关于运动物体所受的合外力与物体的动能的变化,下列说法正确的是( )
A.若运动物体所受的合外力不为零,则物体的动能一定变化
B.若运动物体所受的合外力为零,则物体的动能肯定不变
C.若运动物体的动能保持不变,则该物体所受合外力一定为零
D.若运动物体所受合外力不为零,则该物体一定做变速运动,其动能可能不变
解析:若物体所受合外力为零,则合外力一定不做功,物体的动能一定不发生变化,B正确;物体所受合外力不为零,物体必做变速运动,但合外力不一定做功,如匀速圆周运动中物体所受的合外力只改变速度方向,不改变速度大小,合外力不做功,物体动能不变,A、C错误,D正确.
答案:BD
2.一个人站在阳台上,以相同的速率分别把三个球竖直向下、竖直向上、水平抛出,不计空气阻力,则三球落地时的速率( )
A.上抛球最大 B.下抛球最大
C.平抛球最大 D.一样大
解析:三个小球重力做功相等,初速度大小相等,根据动能定理可知,落地时的速率一样大,D选项正确.
答案:D
10
图1
3.如图1所示,质量为m的物块与转台之间的最大静摩擦力为物块重力的k倍,物块与转轴OO′相距R,物块随转台由静止开始转动,当转速缓慢增加到一定值时,物块即将在转台上滑动,在物块由静止到相对滑动前瞬间的过程中,转台的摩擦力对物块做的功为( )
A.0 B.2πkmgR
C.2kmgR D.0.5kmgR
解析:物块随转台做圆周运动,摩擦力提供向心力,根据牛顿第二定律可知,kmg=m,根据动能定理可知,摩擦力做功增加物块的动能,W=mv2=0.5kmgR,D选项正确.
答案:D
4.质量m=2 kg的物体以50 J的初动能在粗糙的水平面上滑行,其动能变化与位移关系如图2所示,则物体在水平面上的滑行时间t为( )
图2
A.5 s B.4 s
C.2 s D.2 s
解析:由动能定理和图数据得mv02=F阻l,
即50 J=F阻×10 m,F阻=5 N,
10
v0= = m/s= m/s,
a== m/s2=2.5 m/s2,
故t== s=2 s.
答案:C
图3
5.(2019年江苏省南通市如皋市二模)如图3所示,D、E、F、G为地面上距离相等的四点,三个质量相同的小球A、B、C分别在E、F、G的正上方不同高度处,以相同的水平初速度向左抛出,最后均落到D点.若不计空气阻力,则可判断A、B、C三个小球( )
A.在空中运动时间之比为1∶3∶5
B.初始离地面的高度之比为1∶3∶5
C.在空中运动过程中重力的平均功率之比为1∶2∶3
D.从抛出到落地过程中,动能的变化量之比为1∶2∶3
解析:小球抛出后做平抛运动,设小球的水平速度为v;A.由题意知,小球在水平方向的位移之比xA∶xB∶xC=1∶2∶3,小球在水平方向做匀速直线运动,x=v t,则小球的运动时间之比tA∶tB∶tC=1∶2∶3,故A错误;B.小球在竖直方向上做自由落体运动,h=gt2,则抛出点的高度之比hA∶hB∶hC=tA2∶tB2∶tC2=1∶4∶9,故B错误;C.重力的平均功率P=,重力平均功率之比PA∶PB∶PC=∶∶=1∶2∶3,故C正确;D.由动能定理得,动能的变化量ΔEk=mgh,从抛出到落地过程中,动能的变化量之比为ΔEkA∶ΔEkB∶ΔEkC=hA∶hB∶hC=1∶4∶9,故D错误;故选C.
答案:C
10
6.(多选)一人用力把质量为1 kg的物体由静止提高1 m,使物体获得2 m/s的速度,则(g取10 m/s2)( )
A.人对物体做的功为12 J
B.合外力对物体做的功为2 J
C.合外力对物体做的功为12 J
D.物体克服重力做的功为10 J
解析:克服重力做功WG克=mgh=10 J,D正确;合外力做功,W合=ΔEk=mv2-0,W合=2 J;B正确;W合=W人-WG克得W人=12 J,A正确.
答案:ABD
7.如图4所示,DO是水平面,AB是斜面,初速度为v0的物体从D点出发沿DBA滑动到A点时速度刚好为零.如果将斜面改为AC,让该物体从D点出发沿DCA滑动到A点时的速度也刚好为零,则物体具有的初速度(已知物体与水平面及斜面之间的动摩擦因数处处相同且不为零)( )
图4
A.大于v0 B.等于v0
C.小于v0 D.取决于斜面的倾角
解析:斜面AB、AC与水平面间的夹角分别为α、β,物体沿DBA滑动时,合力做的功为W1=-mgh-μmgsDB-(μmgcosα)sBA=-mgh-μmgsDO,同理可得当物体沿DCA滑动时,合力做的功为W2=-mgh-μmgSDO,即两次合力做的功相等.根据动能定理W合=ΔEk可得,两次物体动能变化也相等,因此当物体沿DCA滑到A点速度为零时,物体具有的初速度也等于v0,故正确选项为B.
10
答案:B
8.速度为v的子弹,恰可穿透一块固定的木板,子弹穿透木板时所受阻力视为不变,如果子弹速度为2v,则可穿透多少块同样的固定木板( )
A.2块 B.3块
C.4块 D.8块
解析:设每块木板厚为d,
由动能定理得:-fd=0-mv2
-fd′=0-m(2v)2
d′=4d,C正确.
答案:C
综合应用
9.(多选)一个物体从斜面底端冲上足够长的斜面后又返回到斜面底端,已知物体的初动能为E,它返回到斜面底端的速度为v,克服摩擦力做功为,若物体以2E的初动能冲上斜面,则有( )
A.返回斜面底端时的速度大小为v
B.返回斜面底端时的动能为E
C.返回斜面底端时的动能为
D.物体两次往返克服摩擦力做功相同
解析:由题意可知,第二次初动能是第一次的2倍,两次上滑加速度相同,据推导公式可得s2=2s1,则Wf2=2Wf1=E,回到底端时动能也为E,从而推知返回底端时的速度大小为v.
10
答案:AB
10.一起重机由静止开始以加速度a匀加速提起质量为m的重物(忽略钢绳的重力),当重物的速度为v1时,起重机允许输出的功率达到最大值P,此后起重机保持该功率不变,继续提升重物,直到以最大速度v2匀速上升为止.设重物上升高度为h,则下列说法中正确的是( )
A.钢绳的最大拉力为
B.钢绳的最大拉力为
C.重物的动能增量为mah
D.起重机对重物做功为mv22
解析:匀加速提升重物时钢绳拉力最大,且等于匀加速结束时的拉力,由P=Fv得Fm=,所以A错误,B正确;由题意知重物先做匀加速运动后做加速度减小的加速运动,而ma是匀加速过程的合外力,所以动能的增量不等于mah,故C错误;整个过程起重机对重物做功为W,根据动能定理W-mgh=mv22,所以D错误.
答案:B
11.(多选)如图5甲所示,静止在水平地面的物块A,受到水平向右的拉力F作用,F与时间t的关系如图5乙所示,设物块与地面的静摩擦力最大值fm与滑动摩擦力大小相等,则( )
图5
A.0~t1时间内F的功率逐渐增大
10
B.t2时刻物块A的加速度最大
C.t2时刻后物块A做反向运动
D.t3时刻物块A的动能最大
解析:由题图可分析出,在0-t1时间内,F小于fm,物体一直处于静止状态,A选项错误;t2时的动力F最大,故加速度最大,B选项正确;t2-t3时间之间,加速度减小,但仍然沿F方向做加速直线运动,故C错误.t3时刻时,加速度减小到零,速度有最大值,D选项正确.
答案:BD
12.如图6所示,轻弹簧左端固定在竖直墙上,右端点在O位置.质量为m的物块A(可视为质点)以初速度v0从距O点右方x0的P点处向左运动,与弹簧接触后压缩弹簧,将弹簧右端压到O′点位置后,A又被弹簧弹回,A离开弹簧后,恰好回到P点,物块A与水平面间的动摩擦因数为μ.求:
图6
(1)物块A从P点出发又回到P点的过程,克服摩擦力所做的功;
(2)O点和O′点间的距离x1.
解析:(1)A从P点出发又回到P点的过程中,根据动能定理,克服摩擦力所做的功为Wf=mv02.
(2)A从P点出发又回到P点的过程中,根据动能定理:
-2μmg(x1+x0)=0-mv02,得:x1=-x0.
答案:(1)mv02 (2)-x0
10
13.(2019年台州市质量评估)如图7所示,斜面与水平面在B点衔接,水平面与竖直面内的半圆形导轨在C点衔接,半圆形导轨的半径为r=0.4 m.质量m=0.50 kg的小物块,从A点沿斜面由静止开始下滑,测得它经过C点进入半圆形导轨瞬间对导轨的压力为35 N,之后向上运动恰能完成半圆周运动到达D点.已知A到B的水平距离为l1=3.2 m,B到C的水平距离为l2=1.6 m,物块与斜面及水平面之间的动摩擦因数均为μ=0.25,不计物块通过衔接点时的能量损失,g取10 m/s2.求:
图7
(1)物块从C至D克服阻力做了多少功?
(2)A点离水平面的高度h为多大?
(3)为使物块恰好不能越过C而进入半圆形导轨内,物块在斜面上下滑的起始高度应调节为多大?
解析:(1)圆周运动在C点有FN-mg=m ①
圆周运动在D点有,mg=m ②
从C至D由动能定理有
-2mgr-Wf=mvD2-mvC2 ③
联立①②③式并代入数据可解得,从C至D物块克服阻力做的功Wf=1 J ④
(2)从A到B,物块克服阻力做的功
W1=μmgcosθ·=μmgl1 ⑤
从A到C,由动能定理有
10
mgh-W1-μmgl2=mvC2-0 ⑥
联立①⑤⑥式并代入数据可解得h=2.4 m ⑦
(3)从起始到C点由动能定理有
mgh′-μmgcosθ·-μmgl2=0 ⑧
又== ⑨
联立⑧⑨式并代入数据可解得,h′=0.6 m.
答案:(1)1 J (2)2.4 m (3)0.6 m
探究拓展
14.如图8,ABCD为一竖直平面的轨道,其中BC水平,A点比BC高出10 m,BC长3.5 m,AB和CD轨道光滑.一质量为1 kg的物体,从A点由静止释放,经过BC后滑到高出C点9.3 m的D点速度为零.(g=10 m/s2)求:
图8
(1)物体与BC轨道的动摩擦因数μ;
(2)物体第5次经过B点时的速度vB大小;
(3)物体最后停止的位置与B点之间的距离.
解析:(1)分析从A到D过程,由动能定理,
mg(H-h)-μmgsBC=0-0
解得,μ=0.2.
10
(2)物体第5次经过B点时,物体在BC上滑动了4次,由动能定理,得mgH-μmg4sBC=mvB2-0
解得vB=12 m/s.
(3)分析整个过程,由动能定理,
mgH-μmgs=0-0
代入数据解得s=50 m.
故=14,所以物体在轨道上来回了14次后,还有1 m,故离B的距离为1 m.
答案:(1)0.2 (2)12 m/s (3)1 m
10
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