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

如图所示,竖直平面内有一长度$x=1\;\rm m$的粗糙平台$AB$,动摩擦因数$\mu _{1}=0.05$,其左侧有弹簧和质量$m_{1}=2\;\rm kg$的小球。弹簧处于压缩状态,弹性势能$E_{P}=2\;\rm J$,与小球$1$不粘连。小球$1$右侧有一半径$R=1.2\;\rm m$、圆心角$\theta=60^\circ $的光滑圆弧轨道$CD$,最底端$D$平滑连接另一长$s=2\;\rm m$的粗糙平台$DE$。质量$m_{2}=4\;\rm kg$的小球$2$静止在$D$点,左侧粘有少量炸药(质量不计),$E$端有一质量$m_{3}=4\;\rm kg$的小球$3$,用长为$L=0.5\;\rm m$的轻绳悬吊,对$E$点刚好无压力。无初速地释放小球$1$,小球$1$恰好沿$C$点切线方向进入圆弧轨道到达$D$点,与小球$2$接触瞬间引燃炸药(未发生碰撞),爆炸后小球$1$$2$速度方向均水平。小球$1$恰好以原来进入$C$点的速度从$C$点滑出,所有小球均可视为质点且质量不变,忽略弹簧长度的变化,$g$$10\;\rm m/s^{2}$,求:

炸药爆炸前小球$1$$D$点的压力大小;

[]
[["

$F_{\\text{N}}= \\dfrac{140}{3}\\text{N}$

"]]

小球$1$$A$运动到$B$点,根据能量守恒定律有$E_{\text{P}}-\mu_{1}m_{1}gx=\dfrac{1}{2}m_{1}v_{B}^{2}$

解得$v_{B}=1\;\rm m/s$

小球$1$$B$$C$做平抛运动,则有$v_{C}=\dfrac{v_{B}}{\cos 60{^\circ}}=2\;\rm \text{m}/\text{s}$

小球$1$$C$$D$,根据机械能守恒定律有$\dfrac{1}{2}m_{1}v_{C}^{2}+m_{1}gR(1-\cos 60{^\circ})=\dfrac{1}{2}m_{1}v_{D}^{2}$

解得$v_{D}=4\;\rm m/s$

小球$1$$D$点,根据牛顿第二定律有$F_{\text{N}}-m_{1}g=m_{1}\dfrac{v_{D}^{2}}{R}$

解得$F_{\text{N}}=\dfrac{140}{3}\text{N}$

根据牛顿第三定律可知小球$1$对轨道的压力大小为$\dfrac{140}{3}\text{N}$

炸药爆炸过程中有多少能量转化成小球$1$$2$的机械能;

[]
[["

$\\Delta E=32\\;\\rm J$

"]]

炸药爆炸过程中,根据动量守恒有$m_{1}v_{D}=−m_{1}v{^\prime}_{D}+m_{2}v$

其中$v{^\prime}_{D}=v_{D}=4\;\rm m/s$

则机械能的增加量为$\Delta E=\dfrac{1}{2}m_{1}v_{D}^{'2}+\dfrac{1}{2}m_{2}v^{2}-\dfrac{1}{2}m_{1}v_{D}^{2}$

解得$\Delta E=32\;\rm J$$v=4\;\rm m/s$

若小球$2$能与小球$3$发生弹性碰撞且最终仍停在平台上,整个过程中绳子始终不松弛,小球与平台$DE$间动摩擦因数$\mu _{2}$的范围。

[]
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$0.15\\leqslant \\mu _{2}\\lt0.4$

"]]

①当小球$2$刚好运动到小球$3$处时速度为零,则有$- \mu_{2}m_{2}gs=0-\dfrac{1}{2}m_{2}v^{2}$

解得$\mu _{2}=0.4$

②设小球$2$运动到小球$3$处的速度为$v{^\prime}_{2}$(此时未与小球$3$碰撞),则有$- \mu_{2}m_{2}gs=\dfrac{1}{2}m_{2}{v'}_{2}^{2}-\dfrac{1}{2}m_{2}v^{2}$

之后小球$2$与小球$3$发生弹性碰撞,由于两球的质量相等,则速度交换,故碰撞后小球$3$的速度为$v_{3}=v{^\prime}_{2}$,为保证整个过程中绳子始终不松弛,则小球$3$最多上到右侧圆心等高处,则有$\dfrac{1}{2}m_{3}v_{3}^{2}=m_{3}gL$

联立解得$\mu _{2}=0.15$

且此时根据能量守恒,$3$球撞$2$球后若$DE$无摩擦则小球$2$在左侧上升高度为$L$,由于$L\lt R$,故无摩擦时$2$球不会从左侧$C$点飞出,有摩擦更不会飞出,满足最终小球$2$仍停在平台上。

综上所述可知$0.15\leqslant\mu _{2}\lt 0.4$

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