| 能量守恒定律 题目答案及解析

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选修3-3

第十章 热力学定律

10.3 热力学第一定律 能量守恒定律

能量守恒定律

如图所示,质量为$M=2.0\;\rm kg$,半径$R=0.3\;\rm m$的四分之一光滑圆弧槽静置于光滑水平地面上,有两个大小、形状相同的可视为质点的小球$m_{1}$$m_{2}$$m_{1}=1.0\;\rm kg$$m_{2}=2.0\;\rm kg$$m_{2}$右侧与球心等高处连接一轻质弹簧,弹簧的另一端距圆弧槽底有一定距离。现将$m_{1}$从圆弧槽顶端由静止释放,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$,求:

若圆弧槽固定不动,小球$m_{1}$滑到圆弧槽底端时,小球对圆弧槽的压力大小;

[["

$30\\;\\rm N$

"]]

圆弧槽固定,小球$m_{1}$下滑过程满足机械能守恒,则有$m_{1}gR=\dfrac{1}{2}m_{1}{v_{0}}^{2}$

小球$m_{1}$滑离圆弧槽低端时,由牛顿第二定律可得$F-m_{1}g=m_{1}\dfrac{{v_{0}}^{2}}{R}$

解得$F=30\;\rm N$

根据牛顿第三定律可知,小球对圆弧槽的压力大小为$30\;\rm N$

若圆弧槽不固定,求弹簧压缩过程中的最大弹性势能;

[["

$\\dfrac{4}{3}\\;\\rm J$

"]]

圆弧槽不固定,槽和小球组成的系统在水平方向动量守恒,以向左为正方向,则有$m_{1}v_{1}-Mv_{2}=0$

由系统机械能守恒可得$m_{1}gR=\dfrac{1}{2}m_{1}{v_{1}}^{2}+\dfrac{1}{2}M{v_{2}}^{2}$

联立解得$v_{1}=2\;\rm m/s$$v_{2}=1\;\rm m/s$

当小球$m_{1}$$m_{2}$速度相等时,弹簧具有最大弹性势能,根据动量守恒得$m_{1}v_{1}=(m_{1}+m_{2})v$

解得共同速度为$v=\dfrac{2}{3}\text{m/s}$

根据能量守恒可得$E_{{p}}=\dfrac{1}{2}m_{1}{v_{1}}^{2}-\dfrac{1}{2}(m_{1}+m_{2})v^{2}$

代入数据可得$E_{{p}}=\dfrac{4}{3}\;\rm J$

若圆弧槽不固定,试通过计算分析小球$m_{1}$能否再次滑上圆弧槽。

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不能

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当弹簧回复原长时小球$m_{1}$向右运动,速度为$v_{3}$,小球向左运动,速度为$v_{4}$,根据动量守恒得$m_{1}v_{1}=m_{2}v_{4}-m_{1}v_{3}$

由能量守恒得$\dfrac{1}{2}m_{1}{v_{1}}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{2}{v_{4}}^{2}+\dfrac{1}{2}m_{1}{v_{3}}^{2}$

联立解得$v_{3}=\dfrac{2}{3}\text{m/s}$

由于$v_{3}\lt v_{2}$,故不能再次滑上圆弧槽。

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