7.8 机械能守恒定律 同步测试卷

h2
4．(含弹簧类机械能守恒问题)如图所示，在高1.5 m的光滑平台上有一个质量为2 kg的小球被一细线拴在墙上，小球与墙之间有一根被压缩的轻质弹簧。当烧断细线时，小球被弹出，小球落地时的速度方向与水平方向成60°角，则弹簧被压缩时具有的弹性势能为(g取10 m/s2)(　　)

A．10 J B．15 J C．20 J D．25 J
5．(含弹簧类机械能守恒问题)如图所示，固定的竖直光滑长杆上套有质量为m的小圆环，圆环与水平状态的轻质弹簧一端连接，弹簧的另一端连接在墙上，并且处于原长状态，现让圆环由静止开始下滑，已知弹簧原长为L，圆环下滑到最大距离时弹簧的长度变为2L(未超过弹性限度)，则在圆环下滑到最大距离的过程中(　　)

A．圆环的机械能守恒
B．弹簧弹性势能变化了mgL
C．圆环下滑到最大距离时，所受合力为零
D．圆环重力势能与弹簧弹性势能之和保持不变
6．(多物体机械能守恒)(多选)如图所示，在两个质量分别为m和2m的小球a和b之间，用一根长为L的轻杆连接，两小球可绕穿过杆中心O的水平轴无摩擦地转动。现让轻杆处于水平位置，然后无初速度释放，重球b下落，轻球a上升，产生转动，在杆转至竖直的过程中(　　)

A．b球的重力势能减少，动能增加
B．a球的重力势能增加，动能增加
C．a球和b球的总机械能守恒
D．a球和b球的总机械能不守恒
7．(多物体机械能守恒)(多选)如图所示，a、b两物块质量分别为m、3m，用不计质量的细绳相连接，悬挂在定滑轮的两侧。开始时，a、b两物块距离地面高度相同，用手托住物块b，然后由静止释放，直至a、b物块间高度差为h，不计滑轮质量和一切摩擦，重力加速度为g。在此过程中，下列说法正确的是(　　)

A．物块a的机械能守恒
B．物块b的机械能减少了mgh
C．物块b机械能的减少量等于物块a机械能的增加量
D．物块a、b与地球组成的系统机械能守恒
8．(综合)(多选)如图所示，A、B、C、D四图中的小球以及小球所在的左侧斜面完全相同，现从同一高度h处由静止释放小球，使之进入右侧不同的轨道：除去底部一小圆弧，A图中的轨道是一段斜面，高度大于h；B图中的轨道与A图中轨道相比只是短了一些，且斜面高度小于h；C图中的轨道是一个内径略大于小球直径的管道，其上部为直管，下部为圆弧形且与斜面相连，管的高度大于h；D图中的轨道是个半圆形轨道，其直径等于h。如果不计任何摩擦阻力和拐弯处的能量损失，小球进入右侧轨道后能到达h高度的是(　　)

9．(综合)如图所示，从光滑的圆弧槽的最高点由静止滑下的小物块，滑出槽口时速度沿水平方向，槽口与一个半球顶点相切，半球底面在水平面内，若要使小物块滑出槽口后不沿半球面下滑，已知圆弧轨道的半径为R1，半球的半径为R2，则R1与R2的关系为(　　)

A．R1≤R2 B．R1≥R2
C．R1≤ D．R1≥
10．(综合)如图所示，光滑圆轨道固定在竖直面内，一质量为m的小球沿轨道做完整的圆周运动。已知小球在最低点时对轨道的压力大小为N1，在最高点时对轨道的压力大小为N2。重力加速度大小为g，则N1－N2的值为(　　)

A．3mg B．4mg C．5mg D．6mg
11．(综合)某游乐场过山车简化为如图所示模型，光滑的过山车轨道位于竖直平面内，该轨道由一段斜轨道和与之相切的圆形轨道连接而成，圆形轨道的半径为R，可视为质点的过山车从斜轨道上某处由静止开始下滑，然后沿圆形轨道运动。

(1)若要求过山车能通过圆形轨道最高点，则过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度至少要多少？
(2)考虑到游客的安全，要求全过程游客受到的支持力不超过自身重力的7倍，过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度不得超过多少？
12．(综合)如图所示，“蜗牛”状轨道OAB竖直固定在水平地面上，与地面在B处平滑连接。其中“蜗牛”状轨道由内壁光滑的半圆轨道OA和AB平滑连接而成，半圆轨道OA的半径R1＝0.6 m，半圆轨道AB的半径 R2＝1.2 m，水平地面BC长为xBC＝11 m，C处是一个开口较大的深坑，一质量m＝0.1 kg的小球从O点沿切线方向以某一初速度进入轨道OA后，沿OAB轨道运动至水平地面，已知小球与水平地面间的动摩擦因数μ＝0.4，g取10 m/s2。

(1)为使小球不脱离OAB轨道，小球在O点的初速度至少为多大？
(2)若小球在O点的初速度v＝6 m/s，求小球在B点对半圆轨道的压力大小；
(3)若使小球能落入深坑C，则小球在O点的初速度至少为多大？

















答案
1．(机械能的理解)一个物体在运动的过程中所受的合力为零，则这个过程中(　　)
A．机械能一定不变
B．物体的动能保持不变，而势能一定变化
C．若物体的势能变化，机械能一定变化
D．若物体的势能变化，机械能不一定变化
答案　C
解析　由于物体在运动的过程中所受的合力为零，即物体做匀速直线运动，物体的动能不变，势能有可能变化，当物体的势能变化时机械能一定变化，C正确，A、B、D错误。
2．(机械能守恒的判断)下列运动的物体，机械能守恒的是(　　)
A．物体沿斜面匀速下滑
B．物体从高处以0.9g的加速度竖直下落
C．物体沿光滑曲面滑下
D．拉着一个物体沿光滑的斜面匀速上升
答案　C
解析　物体沿斜面匀速下滑时，动能不变，重力势能减小，所以机械能减小，机械能不守恒；物体以0.9g的加速度竖直下落时，除重力外，其他力的合力向上，大小为0.1mg，这个合力在物体下落时对物体做负功，物体机械能减少，机械能不守恒；物体沿光滑曲面滑下时，只有重力做功，机械能守恒；拉着物体沿光滑斜面匀速上升时，拉力对物体做正功，物体机械能增加，机械能不守恒。综上，机械能守恒的是C项。
3．(机械能守恒定律的应用)以相同大小的初速度v0将物体从同一水平面分别竖直上抛、斜上抛、沿光滑斜面(足够长)上滑，如图所示，三种情况达到的最大高度分别为h1、h2和h3，不计空气阻力(斜上抛物体在最高点的速度方向水平)，则(　　)

A．h1＝h2>h3 B．h1＝h2C．h1＝h3

h2
答案　D
解析　竖直上抛物体和沿斜面运动的物体，上升到最高点时，速度均为0，由机械能守恒得mgh＝mv，所以h1＝h3＝h＝，斜上抛物体在最高点速度不为零，设为v1，则mgh2＝mv－mv，所以h2＜h1＝h3，故D正确。
4．(含弹簧类机械能守恒问题)如图所示，在高1.5 m的光滑平台上有一个质量为2 kg的小球被一细线拴在墙上，小球与墙之间有一根被压缩的轻质弹簧。当烧断细线时，小球被弹出，小球落地时的速度方向与水平方向成60°角，则弹簧被压缩时具有的弹性势能为(g取10 m/s2)(　　)

A．10 J B．15 J C．20 J D．25 J
答案　A
解析　由2gh＝v－0得：vy＝，即vy＝ m/s，落地时，tan 60°＝，可得：v0＝＝ m/s，弹簧与小球组成的系统机械能守恒，在小球被弹出的过程中，由机械能守恒定律得Ep＝mv，可求得：Ep＝10 J，故A正确。
5．(含弹簧类机械能守恒问题)如图所示，固定的竖直光滑长杆上套有质量为m的小圆环，圆环与水平状态的轻质弹簧一端连接，弹簧的另一端连接在墙上，并且处于原长状态，现让圆环由静止开始下滑，已知弹簧原长为L，圆环下滑到最大距离时弹簧的长度变为2L(未超过弹性限度)，则在圆环下滑到最大距离的过程中(　　)

A．圆环的机械能守恒
B．弹簧弹性势能变化了mgL
C．圆环下滑到最大距离时，所受合力为零
D．圆环重力势能与弹簧弹性势能之和保持不变
答案　B
解析　圆环在下滑过程中机械能减少，弹簧弹性势能增加，而圆环与弹簧组成的系统机械能守恒，A、D错误；圆环下滑到最低点时速度为零，但是加速度不为零，即合力不为零，C错误；圆环下降高度h＝＝L，所以圆环重力势能减少了mgL，由机械能守恒定律可知，弹簧的弹性势能增加了mgL，B正确。
6．(多物体机械能守恒)(多选)如图所示，在两个质量分别为m和2m的小球a和b之间，用一根长为L的轻杆连接，两小球可绕穿过杆中心O的水平轴无摩擦地转动。现让轻杆处于水平位置，然后无初速度释放，重球b下落，轻球a上升，产生转动，在杆转至竖直的过程中(　　)

A．b球的重力势能减少，动能增加
B．a球的重力势能增加，动能增加
C．a球和b球的总机械能守恒
D．a球和b球的总机械能不守恒
答案　ABC
解析　a、b两球组成的系统中，只存在动能和重力势能的相互转化，系统的机械能守恒，C正确、D错误；其中a球的动能和重力势能均增加，机械能增加，轻杆对a球做正功；b球的重力势能减少，动能增加，机械能减少，轻杆对b球做负功，A、B正确。
7．(多物体机械能守恒)(多选)如图所示，a、b两物块质量分别为m、3m，用不计质量的细绳相连接，悬挂在定滑轮的两侧。开始时，a、b两物块距离地面高度相同，用手托住物块b，然后由静止释放，直至a、b物块间高度差为h，不计滑轮质量和一切摩擦，重力加速度为g。在此过程中，下列说法正确的是(　　)

A．物块a的机械能守恒
B．物块b的机械能减少了mgh
C．物块b机械能的减少量等于物块a机械能的增加量
D．物块a、b与地球组成的系统机械能守恒
答案　CD
解析　释放b后物块a加速上升，动能和重力势能均增加，故机械能增加，A错误。对物块a、b与地球组成的系统，只有重力和绳拉力做功，由于绳的拉力对a做的功与b克服绳的拉力做的功相等，故系统机械能守恒，D正确。物块a、b构成的系统机械能守恒，有3mg·－mg·＝mv2＋·3mv2，解得v＝；物块b动能增加量为(3m)v2＝mgh，重力势能减少mgh，故机械能减少mgh－mgh＝mgh，B错误。a、b组成的系统机械能守恒，故物块b机械能的减少量等于物块a机械能的增加量，C正确。
8．(综合)(多选)如图所示，A、B、C、D四图中的小球以及小球所在的左侧斜面完全相同，现从同一高度h处由静止释放小球，使之进入右侧不同的轨道：除去底部一小圆弧，A图中的轨道是一段斜面，高度大于h；B图中的轨道与A图中轨道相比只是短了一些，且斜面高度小于h；C图中的轨道是一个内径略大于小球直径的管道，其上部为直管，下部为圆弧形且与斜面相连，管的高度大于h；D图中的轨道是个半圆形轨道，其直径等于h。如果不计任何摩擦阻力和拐弯处的能量损失，小球进入右侧轨道后能到达h高度的是(　　)

答案　AC
解析　小球在运动过程中机械能守恒，A、C图中小球不能脱离轨道，在最高点速度为零，因而可以达到h高度。但B、D图中小球都会脱离轨道而做斜抛运动，在最高点具有水平速度，所以在最高点的重力势能要小于mgh(以最低点为零势能点)，即最高点的高度要小于h。故A、C正确。
9．(综合)如图所示，从光滑的圆弧槽的最高点由静止滑下的小物块，滑出槽口时速度沿水平方向，槽口与一个半球顶点相切，半球底面在水平面内，若要使小物块滑出槽口后不沿半球面下滑，已知圆弧轨道的半径为R1，半球的半径为R2，则R1与R2的关系为(　　)

A．R1≤R2 B．R1≥R2
C．R1≤ D．R1≥
答案　D
解析　小物块沿光滑的圆弧槽下滑的过程，只有重力做功，机械能守恒，故有mgR1＝mv2，要使小物块滑出槽口后不沿半球面下滑，即做平抛运动，则mg≤m，联立解得R1≥，故D正确。
10．(综合)如图所示，光滑圆轨道固定在竖直面内，一质量为m的小球沿轨道做完整的圆周运动。已知小球在最低点时对轨道的压力大小为N1，在最高点时对轨道的压力大小为N2。重力加速度大小为g，则N1－N2的值为(　　)

A．3mg B．4mg C．5mg D．6mg
答案　D
解析　设小球在最低点速度为v1，在最高点速度为v2，根据牛顿第二定律和牛顿第三定律，在最低点有N1－mg＝m，在最高点有N2＋mg＝m，从最高点到最低点，根据机械能守恒定律有mg·2R＝mv－mv，联立以上三式可以得到：N1－N2＝6mg，故D正确。
11．(综合)某游乐场过山车简化为如图所示模型，光滑的过山车轨道位于竖直平面内，该轨道由一段斜轨道和与之相切的圆形轨道连接而成，圆形轨道的半径为R，可视为质点的过山车从斜轨道上某处由静止开始下滑，然后沿圆形轨道运动。

(1)若要求过山车能通过圆形轨道最高点，则过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度至少要多少？
(2)考虑到游客的安全，要求全过程游客受到的支持力不超过自身重力的7倍，过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度不得超过多少？
答案　(1)2.5R　(2)3R
解析　(1)设过山车总质量为M，从高度h1处开始下滑，恰能以速度v1通过圆形轨道最高点。
在圆形轨道最高点有：Mg＝M①
运动过程机械能守恒：Mgh1＝2MgR＋Mv②
由①②式得：h1＝2.5R，即高度至少为2.5R。
(2)设从高度h2处开始下滑，游客质量为m，过圆周最低点时速度为v2，游客受到的支持力是N＝7mg。
最低点：N－mg＝m③
运动过程机械能守恒：mgh2＝mv④
由③④式得：h2＝3R，即高度不得超过3R。
12．(综合)如图所示，“蜗牛”状轨道OAB竖直固定在水平地面上，与地面在B处平滑连接。其中“蜗牛”状轨道由内壁光滑的半圆轨道OA和AB平滑连接而成，半圆轨道OA的半径R1＝0.6 m，半圆轨道AB的半径 R2＝1.2 m，水平地面BC长为xBC＝11 m，C处是一个开口较大的深坑，一质量m＝0.1 kg的小球从O点沿切线方向以某一初速度进入轨道OA后，沿OAB轨道运动至水平地面，已知小球与水平地面间的动摩擦因数μ＝0.4，g取10 m/s2。

(1)为使小球不脱离OAB轨道，小球在O点的初速度至少为多大？
(2)若小球在O点的初速度v＝6 m/s，求小球在B点对半圆轨道的压力大小；
(3)若使小球能落入深坑C，则小球在O点的初速度至少为多大？
答案　(1)6 m/s　(2)6 N　(3)8 m/s
解析　(1)小球通过最高点A的临界条件是
mg＝m
解得小球过A点的最小速度vA＝2 m/s
设O点为零势能点，小球由O到A过程由机械能守恒定律得mg·2R1＋mv＝mv
解得v0＝6 m/s。
(2)设B点为零势能点，小球由O到B过程机械能守恒，则mgR2＋mv2＝mv
解得vB＝2 m/s
在B点由牛顿第二定律得FN－mg＝m
解得FN＝6 N
由牛顿第三定律得轨道受到的压力FN′＝FN＝6 N。
(3)设小球恰能落入深坑C，即vC＝0时初速度最小，小球由O到C过程由动能定理得
mgR2－μmgxBC＝0－mv′2
解得v′＝8 m/s>v0＝6 m/s，则假设成立，小球在O点的速度至少为8 m/s。