| 动能定理解决多过程问题 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理解决多过程问题

如图所示,质量$M=0.2\;\rm kg$的小车静止在光滑水平地面,左侧紧靠竖直墙壁。小车上固定一条内壁光滑的轨道,该轨道由一半径$r_{1}=0.4\;\rm m$和两个半径$r_{2}=0.2\;\rm m$的四分之一圆形管道组成。将质量$m=0.1\;\rm kg$的小球从管口$A$点正上方$h=0.05\;\rm m$处由静止释放,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$。求:

小球向右通过$B$点时的速度大小$v_{1}$

[["

$3\\;\\rm m/s$

"]]

小球从静止释放运动至$B$点,根据动能定理得$mg\left( h+r_{1} \right)=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}-0$

解得$v_{1}=3\;\rm m/s$

小球向上通过$C$点时,小车的速度大小$v_{2}$

[["

$1\\;\\rm m/s$

"]]

小球运动至$C$点时,小球相对于小车竖直向上运动,水平方向上两者共速,根据水平方向动量守恒得$mv_{1}=(m+M)v_{2}$

解得$v_{2}=1\;\rm m/s$

小球能否从$D$点飞出?若能,请计算出飞出的速度大小;若不能,请说明理由。

[["

不能,理由见解析

"]]

方法一:假设小球能够运动到$D$点时的速度为$v_{3}$,此时小车的速度为$v_{4}$,根据机械能守恒定律得$\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{3}^{2}+\dfrac{1}{2}Mv_{4}^{2}+mg \cdot 2r_{2}$

根据水平方向动量守恒得$mv_{1}=mv_{3}+Mv_{4}$

联立方程,代入数据计算发现:$v_{3}$$v_{4}$无解,小球不能从$D$点飞出。

方法二:假设小球能够运动到的最大高度与$B$点的高度差为$H$,小球相对于小车的相对速度为零时达到最大高度,设此时速度为$v_{5}$,根据机械能守恒定律得$\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}=\dfrac{1}{2}(m+M)v_{5}^{2}+mgH$

根据水平方向动量守恒得$mv_{1}=(m+M)v_{5}$

联立方程,代入数据计算得$H=0.3{\;\rm m}\lt r_{1}=0.4\;\rm m$

小球不能从$D$点飞出。

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某同学参照过山车情景设计了如图所示的模型:光滑的竖直圆轨道半径,入口的平直轨道和出口的平直轨道均是粗糙的,质量为的小滑块(可视为质点)与水平轨道之间的动摩擦因数均为,滑块从点由静止开始受到水平拉力的作用,在点撤去拉力,的长度为,不计空气阻力,若滑块恰好通过圆轨道的最高点,。求: 如图所示,固定的桌面、地面和固定的螺旋形圆管均光滑,轻质弹簧左端固定,自然伸长位置为点,弹簧的劲度系数,圆轨道的半径,圆管的内径比质量为的小球直径略大,但远小于圆轨道半径,质量为的小物块静止于质量为的木板左端,木板的上表面恰好与圆管轨道水平部分下端表面等高,小物块与木板上表面间的动摩擦因数,木板右端与墙壁之间的距离,现用力将小球向左推压,将弹簧压缩,然后由静止释放小球,小球与弹簧不连接,小球运动到桌面右端点后水平抛出,从管口点处沿圆管切线飞入圆管内部,从圆管水平部分点飞出,并恰好与小物块发生弹性碰撞,经过一段时间后木板和右侧墙壁发生弹性碰撞,已知小物块始终未和墙壁碰撞,并且未脱离木板,已知与竖直方向夹角,,,,。求: 如图所示,在平面直角坐标系第三象限存在竖直向上的匀强电场,场强大小为;第二象限存在水平向右的匀强电场,场强大小也为;第一象限存在水平向左的匀强电场,场强大小为。一质量为、电荷量为的正离子从 点由静止释放,点位置坐标为(,),不计该离子的重力。 如图所示,有一带电物块(可视为质点)静止在光滑斜面的 处,物块的电荷量,质量 ,斜面的倾角为。斜面与水平绝缘轨道 平滑,在直线 左侧有水平向左的匀强电场, 右侧有水平向右的匀强电场,水平轨道 与竖直平面内的半圆形绝缘光滑轨道 平滑连接,半圆形轨道的半径。现撤去电场,物块从 处由静止下滑,恰好能通过半圆形轨道的最高点 ,然后落至水平轨道 上。已知 距离水平轨道的高度为,带电物块与 间的动摩擦因数为 ,取 ,求: 如图所示,左端为四分之一圆弧的木板静止置于光滑水平面上,圆弧与木板水平部分相切于点。在木板右端固定一轻弹簧,其自由端位于木板上点正上方,将质量为的小物块(可视为质点)自点上方高度为处的某点静止释放,沿切线进入圆弧,已知长木板质量为,圆弧的半径为,,段粗糙,与小物块间的动摩擦因数为,其余部分均光滑。重力加速度为。 如图所示,一个质量为的小球,以初速度从点平抛出去,恰好从点沿切线进入圆弧,经过圆弧后从点射出,又恰好落到点。已知圆弧半径,,与高度差为,。求:
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