高中 | 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,木板$A$放置在光滑水平桌面上,通过两根相同的水平轻弹簧$M$$N$与桌面上的两个固定挡板相连。小物块$B$放在$A$的最左端,通过一条跨过轻质定滑轮的轻绳与带正电的小球$C$相连,轻绳绝缘且不可伸长,$B$与滑轮间的绳子与桌面平行。桌面右侧存在一竖直向上的匀强电场,$A$$B$$C$均静止,$M$$N$处于原长状态,轻绳处于自然伸直状态。$t=0$时撤去电场,$C$向下加速运动,下降$0.2\;\rm m$后开始匀速运动,$C$开始做匀速运动瞬间弹簧$N$的弹性势能为$0.1\;\rm J$。已知$A$$B$$C$的质量分别为$0.3\;\rm kg$$0.4\;\rm kg$$0.2\;\rm kg$,小球$C$的带电量为$1 \times 10^{-6}\;\rm C$,重力加速度大小取$10\;\rm m/s^{2}$,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,弹簧始终处在弹性限度内,轻绳与滑轮间的摩擦力不计。

求匀强电场的场强大小;

[["

$2 \\times 10^{6}\\;\\rm N/C$

"]]

撤去电场前,$A$$B$$C$均静止,$M$$N$处于原长状态,对$A$$B$整体分析可知,此时绳中拉力为$0$,对$C$根据共点力平衡条件有$qE=m_{C}g$

解得$E=2 \times 10^{6}\;\rm N/C$

$A$$B$间的滑动摩擦因数及$C$做匀速运动时的速度大小;

[["

$0.5$$\\dfrac{2}{3}\\:\\rm{m/s}$

"]]

$C$开始做匀速直线运动后,对$C$$B$根据共点力平衡条件分别有

$T_{1}=m_{C}g$$T_{1}=f_{B}$

其中$f_{B}=\mu m_{B}g$

解得$\mu =0.5$

$C$开始匀速运动瞬间,$A$$B$刚好发生相对滑动,此时$A$$B$$C$三者速度大小相等,$M$$N$两弹簧的弹性势能相同,$C$下降$0.2m$的过程中,对$A$$B$$C$及弹簧$M$$N$组成的系统,由能量守恒定律有$m_{{C}}gh=\dfrac{1}{2}(m_{{A}}+m_{{B}}+m_{{C}})v^{2}+2E_{\rm{p}}$

解得$v=\dfrac{2}{3}\:\rm{m}/{s}$

$t=0$时电场方向改为竖直向下,当$B$$A$即将发生相对滑动瞬间撤去电场,$A$$B$继续向右运动,一段时间后,$A$从右向左运动。求$A$第一次从右向左运动过程中最大速度的大小。(整个过程$B$未与$A$脱离,$C$未与地面相碰)

[["

$\\dfrac{2}{3}\\sqrt{2}\\;\\rm {m/s}$

"]]

没有电场时,$C$开始匀速运动瞬间,$A$$B$刚好发生相对滑动,所以此时$A$的加速度为零,对$A$根据共点力平衡有$2kh − f=0$

当电场方向改为竖直向下,设$B$$A$即将发生相对滑动时,$C$下降高度为$h'$,对$A$根据牛顿第二定律可得$f'− 2kh'=m_{A}a$

$B$$C$根据牛顿第二定律可得$qE+m_{C}g − f=(m_{B}+m_{C})a$

撤去电场后,由第($2$)问的分析可知$A$$B$$C$下降$0.2m$时开始相对滑动,在$C$下降$0.2m$的过程中,对$A$$B$$C$及弹簧$M$$N$组成的系统,由能量守恒定律有$qEh'+m_{{C}}gh=\dfrac{1}{2}(m_{{A}}+m_{{B}}+m_{{C}})v_{\rm\max}^{2}+2E_{\rm{p}}$

此时$A$的速度是其从左向右运动过程中的最大速度,此后$A$做简谐运动,所以$A$第一次从右向左运动过程中的最大速度为$v'_{\rm\max}=v_{\rm\max}$

联立解得${v'}_{\rm\max}=\dfrac{2\sqrt{2}}{3}\:\rm{m/s}$

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