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

带电粒子绕着带电量为$+Q$的源电荷做轨迹为椭圆的曲线运动,源电荷固定在椭圆左焦点$F$上,带电粒子电量为$−q$;已知椭圆焦距为$c$,半长轴为$a$,电势计算公式为$\varphi=\dfrac{kQ}{r}$,带电粒子速度的平方与其到电荷的距离的倒数满足如图关系。

求在椭圆轨道半短轴顶点$B$的电势;

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$\\varphi_{B}= \\dfrac{kQ}{a}$

"]]

由几何关系可知,椭圆上任何一点到两焦点间距离之和为$2a$,故顶点$B$距源电荷的距离为$r=a$

根据电势计算公式$\varphi=\dfrac{kQ}{r}$可得在椭圆轨道半短轴顶点$B$的电势为$\varphi_{B}=\dfrac{kQ}{a}$

求带电粒子从$A$$B$的运动过程中,电场力对带电粒子做的功;

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$- kQq\\left(\\dfrac{2}{2a-c}- \\dfrac{1}{a}\\right)$

"]]

同理可知,在椭圆轨道半长轴顶点$A$的电势为$\varphi_{A}=\dfrac{kQ}{a-\dfrac{c}{2}}= \dfrac{2kQ}{2a-c}$

根据电场力做功与电势能的关系可知,带电粒子从$A$$B$的运动过程中,电场力对带电粒子做的功为$W_{AB}=- q(\varphi_{A}-\varphi_{B})=- kQq\left(\dfrac{2}{2a-c}-\dfrac{1}{a}\right)$

用推理论证带电粒子动能与电势能之和是否守恒;若守恒,求其动能与电势能之和;若不守恒,说明理由。

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守恒,$- \\dfrac{kQq}{2a}$

"]]

设带电粒子的质量为$m$,假设带电粒子动能与电势能之和守恒,则满足$\dfrac{1}{2}mv^{2}+(-q)\dfrac{kQ}{r}= C$(定值)

$v^{2}=\dfrac{2kQq}{m} \cdot \dfrac{1}{r}+\dfrac{2C}{m}$

根据图像可知$v^{2}-\dfrac{1}{r}$关系为一条倾斜直线,故假设成立,将图像中$\left(\dfrac{1}{2a},0\right)$代入关系式可得其动能与电势能之和为$C=- \dfrac{kQq}{2a}$

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如图,两条固定的光滑平行金属导轨,所在平面与水平面夹角为,间距为,导轨电阻忽略不计,两端各接一个阻值为的定值电阻,形成闭合回路:质量为的金属棒垂直导轨放置,并与导轨接触良好,接入导轨之间的电阻为;劲度系数为的两个完全相同的绝缘轻质弹簧与导轨平行,一端固定,另一端均与金属棒中间位置相连,弹簧的弹性势能与形变量的关系为;将金属棒移至导轨中间位置时,两弹簧刚好处于原长状态;整个装置处于垂直导轨所在平面向上的匀强磁场中,磁感应强度大小为。将金属棒从导轨中间位置向上移动距离后静止释放,金属棒沿导轨向下运动到最远处,用时为,最远处与导轨中间位置距离为,弹簧形变始终在弹性限度内。此过程中 如图所示,竖直平面内有一长度的粗糙平台,动摩擦因数,其左侧有弹簧和质量的小球。弹簧处于压缩状态,弹性势能,与小球不粘连。小球右侧有一半径、圆心角的光滑圆弧轨道,最底端平滑连接另一长的粗糙平台。质量的小球静止在点,左侧粘有少量炸药(质量不计),端有一质量的小球,用长为的轻绳悬吊,对点刚好无压力。无初速地释放小球,小球恰好沿点切线方向进入圆弧轨道到达点,与小球接触瞬间引燃炸药(未发生碰撞),爆炸后小球、速度方向均水平。小球恰好以原来进入点的速度从点滑出,所有小球均可视为质点且质量不变,忽略弹簧长度的变化,取,求: 如图,光滑水平面上存在竖直向上、宽度大于的匀强磁场,其磁感应强度大小为。甲、乙两个合金导线框的质量均为,长均为,宽均为,电阻分别为和。两线框在光滑水平面上以相同初速度并排进入磁场,忽略两线框之间的相互作用。则 如图,有两个电性相同且质量分别为、的粒子、,初始时刻相距,粒子以速度沿两粒子连线向速度为的粒子运动,此时、两粒子系统的电势能等于。经时间粒子到达点,此时两粒子速度相同,同时开始给粒子施加一恒力,方向与速度方向相同。当粒子的速度为时,粒子恰好运动至点且速度为,、粒子间距离恢复为,这时撤去恒力。己知任意两带电粒子系统的电势能与其距离成反比,忽略两粒子所受重力。求:(、、、均为己知量) 如图,与水平面成夹角且固定于、两点的硬直杆上套着一质量为的滑块,弹性轻绳一端固定于点,另一端跨过固定在处的光滑定滑轮与位于直杆上点的滑块拴接,弹性轻绳原长为,为且垂直于。现将滑块无初速度释放,假设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等。滑块与杆之间的动摩擦因数为,弹性轻绳上弹力的大小与其伸长量满足。,取,。则滑块 某地为发展旅游经济,因地制宜利用山体举办了机器人杂技表演。表演中,需要将质量为的机器人抛至悬崖上的点,图为山体截面与表演装置示意图。、为同一水平面上两条光滑平行轨道,轨道中有质量为的滑杆。滑杆用长度为的轻绳与机器人相连。初始时刻,轻绳??紧且与轨道平行,机器人从点以初速度竖直向下运动,点位于轨道平面上,且在点正下方,。滑杆始终与轨道垂直,机器人可视为质点且始终作同一竖直平面内运动,不计空气阻力,轻绳不可伸长,,重力加速度大小为。
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