第七章 机械能守恒定律
本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分,满分100分,考试时间90分钟。
第Ⅰ卷(选择题,共48分)
一、选择题(本题共12小题,每小题4分,共48分。在每个小题给出的四个选项中,第1~8小题,只有一个选项符合题意;第9~12小题,有多个选项符合题意,全部选对的得4分,选对而不全的得2分,错选或不选的得0分)
1.静止在地面上的物体在竖直向上的恒力作用下上升,在某一高度撤去恒力,不计空气阻力,在整个上升过程中,物体机械能随时间变化的关系是( )
2.如图所示,光滑斜面的顶端固定一弹簧,一质量为m的物体向右滑行,并冲上固定在地面上的斜面。设物体在斜面最低点A的速度为v,压缩弹簧至C点时弹簧最短,C点距地面高度为h,则从A到C的过程中弹簧弹力做功是( )
A.mgh-mv2 B.mv2-mgh
C.-mgh D.-
3.如图所示,小球以初速度v0从A点沿不光滑的轨道运动到高为h的B点后自动返回,其返回途中仍经过A点,小球经过轨道连接处无机械能损失,则小球经过A点时的速度大小为( )
A. B.
C.v-2gh D.
4.如图所示,可视为质点的小球A、B用不可伸长的细软轻线连接,跨过固定在地面上半径为R的光滑圆柱,A的质量为B的两倍。当B位于地面时,A恰与圆柱轴心等高。将A由静止释放,B上升的最大高度是( )
A.2R B. C. D.
5.如图所示的四幅图是小明提包回家的情景,小明提包的力不做功的是( )
6.下列说法中正确的是( )
A.能就是功,功就是能
B.做功越多,物体的能量就越大
C.外力对物体不做功,这个物体就没有能量
D.能量转化的多少可以用做功来量度
7.运动员跳伞将经历加速下降和减速下降两个过程,将人和伞看成一个系统,在这两个过程中,下列说法正确的是( )
A.阻力对系统始终做负功
B.系统受到的合外力始终向下
C.重力做功使系统的重力势能增加
D.任意相等的时间内重力做的功相等
8.质量为m=20 kg的物体,在大小恒定的水平外力F的作用下,沿水平面做直线运动。0~2 s内F与运动方向相反,2~4 s内F与运动方向相同,物体的v?t图象如图所示,g取10 m/s2,则( )
A.拉力F的大小为100 N
B.物体在4 s时拉力的瞬时功率为120 W
C.4 s内拉力所做的功为480 J
D.4 s内物体克服摩擦力做的功为320 J
9.如图,一物体从光滑斜面AB底端A点以初速度v0上滑,沿斜面上升的最大高度为h。下列说法中正确的是(设下列情境中物体从A点上滑的初速度仍为v0)( )
A.若把斜面CB部分截去,物体冲过C点后上升的最大高度仍为h
B.若把斜面AB变成曲面AEB,物体沿此曲面上升仍能到达B点
C.若把斜面弯成圆弧形AD,物体仍沿圆弧升高h
D.若把斜面从C点以上部分弯成与C点相切的圆弧状,物体上升的最大高度有可能仍为h
10.物体沿直线运动的v?t关系如图所示,已知在第1秒内合外力对物体做的功为W,则( )
A.从第1秒末到第3秒末合外力做功为4W
B.从第3秒末到第5秒末合外力做功为-2W
C.从第5秒末到第7秒末合外力做功为W
D.从第3秒末到第4秒末合外力做功为-0.75W
11.一个质量为0.3 kg的弹性小球,在光滑水平面上以6 m/s 的速度垂直撞到墙上,碰撞后小球沿相反方向运动,反弹后的速度大小与碰撞前相同。则碰撞前后小球速度变化量的大小Δv和碰撞过程中墙对小球做功的大小W为( )
A.Δv=0 B.Δv=12 m/s
C.W=0 D.W=10.8 J
12.图甲所示为索契冬奥会上为我国夺得首枚速滑金牌的张虹在1000 m决赛中的精彩瞬间。现假设某速滑运动员某段时间内在直道上做直线运动的速度—时间图象可简化为图乙,已知运动员(包括装备)总质量为60 kg,在该段时间内受到的阻力恒为总重力的0.1倍,g取10 m/s2,则下列说法正确的是( )
A.在1~3 s内,运动员的加速度为0.5 m/s2
B.在1~3 s内,运动员获得的动力是30 N
C.在0~5 s内,运动员的平均速度是12.5 m/s
D.在0~5 s内,运动员克服阻力做的功是3780 J
第Ⅱ卷(非选择题,共52分)
二、实验题(本题共2小题,共12分)
13.(4分)某同学做“探究合力做的功和物体速度变化的关系”的实验装置如图甲所示,小车在橡皮筋的作用下弹出,沿木板滑行。用1条橡皮筋对小车做的功记为W,当用2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时,每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致。实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。
如图乙所示是某次操作正确的情况下,在频率为50 Hz的电源下打点计时器记录的一条纸带,为了测量小车获得的速度,应选用纸带的________(填“A~F”或“F~I”)部分进行测量,速度大小为________ m/s。
14.(8分)“验证机械能守恒定律”的实验采用重物自由下落的方法。(g取10 m/s2)
(1)用公式mv2=mgh时,对纸带上起点的要求是初速度为________,为达到此目的,所选择的纸带第1、2两点间距应接近________(打点计时器打点的时间间隔为0.02 s)。
(2)若实验中所用重物质量m=1 kg,打点纸带如图甲所示,打点时间间隔为0.02 s,则记录B点时,重物速度vB=________,重物的动能EkB=________,从开始下落至B点,重物的重力势能减少量是________,因此可得出的结论是__________________________。
(3)根据纸带算出相关各点的速度值,量出下落的距离,则以为纵轴,以h为横轴画出的图线应是图乙中的________。
三、计算题(本题共4小题,共40分。要有必要的文字说明和演算步骤。有数值计算的题注明单位)
15.(9分)如图所示,质量m=2 kg的小球用长L=1.05 m的轻质细绳悬挂在距水平地面高H=6.05 m的O点。现将细绳拉直至水平状态,自A点无初速度释放小球,运动至悬点O的正下方B点时细绳恰好断裂,接着小球做平抛运动,落至水平地面上C点。不计空气阻力,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)细绳能承受的最大拉力;
(2)细绳断裂后小球在空中运动所用的时间;
(3)小球落地瞬间速度的大小。
16.(9分)如图所示,半径R=0.4 m的光滑半圆轨道与粗糙的水平面相切于A点,质量为m=1 kg的小物体(可视为质点)在水平拉力F的作用下,从静止开始由C点运动到A点,物体从A点进入半圆轨道的同时撤去外力F,物体沿半圆轨道通过最高点B后做平抛运动,正好落在C点,已知xAC=2 m,F=15 N,g取10 m/s2,试求:
(1)物体在B点时的速度大小以及此时半圆轨道对物体的弹力大小;
(2)物体从C到A的过程中,摩擦力做的功。
17.(10分)如图甲所示,在水平路段AB上有一质量为2×103 kg的汽车,正以10 m/s的速度向右匀速运动,汽车前方的水平路段BC较粗糙,汽车通过整个ABC路段的v?t图象如图乙所示(在t=15 s处水平虚线与曲线相切),运动过程中汽车发动机的输出功率保持20 kW 不变,假设汽车在两个路段上受到的阻力(含地面摩擦力和空气阻力等)各自有恒定的大小。
(1)求汽车在AB路段上运动时所受的阻力Ff1;
(2)求汽车刚好到达B点时的加速度a;
(3)求BC路段的长度。
18.(12分)滑板运动是极限运动的鼻祖,许多极限运动项目均由滑板项目延伸而来。如图是滑板运动的轨道,BC和DE是两段光滑圆弧形轨道,BC段的圆心为O点,圆心角为60°,半径OC与水平轨道CD垂直,水平轨道CD段粗糙且长8 m。某运动员从轨道上的A点以3 m/s的速度水平滑出,在B点刚好沿轨道的切线方向滑入圆弧形轨道BC,经CD轨道后冲上DE轨道,到达E点时速度减为零,然后返回。已知运动员和滑板的总质量为60 kg,B、E两点到水平轨道CD的竖直高度分别为h和H,且h=2 m,H=2.8 m,g取10 m/s2。求:
(1)运动员从A点运动到达B点时的速度大小vB;
(2)轨道CD段的动摩擦因数μ;
(3)通过计算说明,第一次返回时,运动员能否回到B点?如能,请求出回到B点时速度的大小;如不能,则最后停在何处?
答案
第Ⅰ卷(选择题,共48分)
一、选择题(本题共12小题,每小题4分,共48分。在每个小题给出的四个选项中,第1~8小题,只有一个选项符合题意;第9~12小题,有多个选项符合题意,全部选对的得4分,选对而不全的得2分,错选或不选的得0分)
1.静止在地面上的物体在竖直向上的恒力作用下上升,在某一高度撤去恒力,不计空气阻力,在整个上升过程中,物体机械能随时间变化的关系是( )
答案 C
解析 物体机械能的增量等于恒力做的功,恒力做功WF=Fh,h=at2,则有外力作用时,物体机械能随时间变化的关系为E=Fat2。撤去恒力后,物体机械能不变,故C正确。
2.如图所示,光滑斜面的顶端固定一弹簧,一质量为m的物体向右滑行,并冲上固定在地面上的斜面。设物体在斜面最低点A的速度为v,压缩弹簧至C点时弹簧最短,C点距地面高度为h,则从A到C的过程中弹簧弹力做功是( )
A.mgh-mv2 B.mv2-mgh
C.-mgh D.-
答案 A
解析 由A到C的过程运用动能定理可得:-mgh+W=0-mv2,所以W=mgh-mv2,故A正确。
3.如图所示,小球以初速度v0从A点沿不光滑的轨道运动到高为h的B点后自动返回,其返回途中仍经过A点,小球经过轨道连接处无机械能损失,则小球经过A点时的速度大小为( )
A. B.
C.v-2gh D.
答案 B
解析 小球从A到B,由动能定理得-Wf-mgh=0-mv,从A经B返回A,由动能定理得-2Wf=mv2-mv,联立解得v=,B正确。
4.如图所示,可视为质点的小球A、B用不可伸长的细软轻线连接,跨过固定在地面上半径为R的光滑圆柱,A的质量为B的两倍。当B位于地面时,A恰与圆柱轴心等高。将A由静止释放,B上升的最大高度是( )
A.2R B. C. D.
答案 C
解析 设A、B的质量分别为2m、m,当A落到地面,B恰运动到与圆柱轴心等高处,以A、B整体为研究对象,机械能守恒,故有2mgR-mgR=(2m+m)v2,当A落地后,B球以速度v竖直上抛,到达最高点时上升的高度为h′==,故B上升的总高度为R+h′=R,C正确。
5.如图所示的四幅图是小明提包回家的情景,小明提包的力不做功的是( )
答案 B
解析 只有同时满足有力及在力的方向上有位移两个条件时,力对物体才做功,A、C、D做功,B没有做功,选B。
6.下列说法中正确的是( )
A.能就是功,功就是能
B.做功越多,物体的能量就越大
C.外力对物体不做功,这个物体就没有能量
D.能量转化的多少可以用做功来量度
答案 D
解析 功和能是两个不同的概念,做功的多少只是说明了能量转化的多少而不能说明能量的多少,外力做功与否不能说明物体能量的有无,功是能量转化的量度,故只有D正确。
7.运动员跳伞将经历加速下降和减速下降两个过程,将人和伞看成一个系统,在这两个过程中,下列说法正确的是( )
A.阻力对系统始终做负功
B.系统受到的合外力始终向下
C.重力做功使系统的重力势能增加
D.任意相等的时间内重力做的功相等
答案 A
解析 阻力始终与运动方向相反,做负功,所以A正确。加速下降时合外力向下,而减速下降时合外力向上,所以B错误。重力做功,重力势能减小,则C错误。时间相等,但物体下落距离不同,重力做功不等,所以D错误。
8.质量为m=20 kg的物体,在大小恒定的水平外力F的作用下,沿水平面做直线运动。0~2 s内F与运动方向相反,2~4 s内F与运动方向相同,物体的v?t图象如图所示,g取10 m/s2,则( )
A.拉力F的大小为100 N
B.物体在4 s时拉力的瞬时功率为120 W
C.4 s内拉力所做的功为480 J
D.4 s内物体克服摩擦力做的功为320 J
答案 B
解析 由图象可得:0~2 s内物体做匀减速直线运动,加速度大小为a1== m/s2=5 m/s2,匀减速过程有F+f=ma1;2~4 s内物体做匀加速直线运动,加速度大小为a2== m/s2=1 m/s2,有F-f=ma2,解得f=40 N,F=60 N,故A错误。物体在4 s时拉力的瞬时功率为P=Fv=60×2 W=120 W,故B正确。4 s内物体通过的位移为x= m=8 m,拉力做功为W=-Fx=-480 J,故C错误。4 s内物体通过的路程为s= m=12 m,克服摩擦力做功为Wf=fs=40×12 J=480 J,故D错误。
9.如图,一物体从光滑斜面AB底端A点以初速度v0上滑,沿斜面上升的最大高度为h。下列说法中正确的是(设下列情境中物体从A点上滑的初速度仍为v0)( )
A.若把斜面CB部分截去,物体冲过C点后上升的最大高度仍为h
B.若把斜面AB变成曲面AEB,物体沿此曲面上升仍能到达B点
C.若把斜面弯成圆弧形AD,物体仍沿圆弧升高h
D.若把斜面从C点以上部分弯成与C点相切的圆弧状,物体上升的最大高度有可能仍为h
答案 BD
解析 在光滑斜面运动到B点的过程中,系统机械能守恒,若把斜面CB部分截去,物体从A点运动到C点后做斜上抛运动,到达最高点时有水平方向的分速度,则物体上升不到h高度,故A错误;而把斜面AB变成曲面AEB,物体到达最高点速度仍为零,物体可达最大高度h,即到达B点,故B正确;而沿圆弧形AD,物体做圆周运动,到达最高点需要有个最小速度,所以物体不能沿圆弧升高h,故C错误;若把斜面从C点以上部分弯成与C点相切的圆弧状,物体上升到最高点时速度有可能为0,即上升的最大高度有可能仍为h,故D正确。
10.物体沿直线运动的v?t关系如图所示,已知在第1秒内合外力对物体做的功为W,则( )
A.从第1秒末到第3秒末合外力做功为4W
B.从第3秒末到第5秒末合外力做功为-2W
C.从第5秒末到第7秒末合外力做功为W
D.从第3秒末到第4秒末合外力做功为-0.75W
答案 CD
解析 由题图知第1秒末、第3秒末、第7秒末速度大小关系:v1=v3=v7,由题知W=mv-0,则由动能定理得从第1秒末到第3秒末合外力做功W2=mv-mv=0,故A错误;从第3秒末到第5秒末合外力做功W3=mv-mv=0-mv=-W,故B错误;从第5秒末到第7秒末合外力做功W4=mv-0=mv=W,故C正确;从第3秒末到第4秒末合外力做功W5=mv-mv=m2-mv=-0.75W,故D正确。
11.一个质量为0.3 kg的弹性小球,在光滑水平面上以6 m/s 的速度垂直撞到墙上,碰撞后小球沿相反方向运动,反弹后的速度大小与碰撞前相同。则碰撞前后小球速度变化量的大小Δv和碰撞过程中墙对小球做功的大小W为( )
A.Δv=0 B.Δv=12 m/s
C.W=0 D.W=10.8 J
答案 BC
解析 速度是矢量,速度的变化量也是矢量,反弹后小球的速度与碰前速度等值反向,则速度变化量为-v-v=-2v(设碰撞前速度方向为正),其大小为Δv=2v=12 m/s,故B正确。反弹前、后小球的动能没有变化,即ΔEk=0,根据动能定理:物体受合外力做功等于物体动能的变化,而碰撞过程中小球只受重力和墙的作用力,重力做功为0,则墙对小球做功,W=ΔEk=0,故C正确。
12.图甲所示为索契冬奥会上为我国夺得首枚速滑金牌的张虹在1000 m决赛中的精彩瞬间。现假设某速滑运动员某段时间内在直道上做直线运动的速度—时间图象可简化为图乙,已知运动员(包括装备)总质量为60 kg,在该段时间内受到的阻力恒为总重力的0.1倍,g取10 m/s2,则下列说法正确的是( )
A.在1~3 s内,运动员的加速度为0.5 m/s2
B.在1~3 s内,运动员获得的动力是30 N
C.在0~5 s内,运动员的平均速度是12.5 m/s
D.在0~5 s内,运动员克服阻力做的功是3780 J
答案 AD
解析 1~3 s内加速度的大小为a== m/s2=0.5 m/s2,A正确;根据牛顿第二定律得F-f=ma,解得动力的大小F=0.1mg+ma=60 N+30 N=90 N,故B错误;0~5 s内的位移x=12×1 m+×(12+13)×2 m+13×2 m=63 m,则== m/s=12.6 m/s,C错误;Wf=f·x=0.1×60×10×63 J=3780 J,D正确。
第Ⅱ卷(非选择题,共52分)
二、实验题(本题共2小题,共12分)
13.(4分)某同学做“探究合力做的功和物体速度变化的关系”的实验装置如图甲所示,小车在橡皮筋的作用下弹出,沿木板滑行。用1条橡皮筋对小车做的功记为W,当用2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时,每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致。实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。
如图乙所示是某次操作正确的情况下,在频率为50 Hz的电源下打点计时器记录的一条纸带,为了测量小车获得的速度,应选用纸带的________(填“A~F”或“F~I”)部分进行测量,速度大小为________ m/s。
答案 F~I 0.76
解析 小车获得的速度应为橡皮筋对小车作用完毕时小车的速度,此时小车做匀速直线运动,故应选F~I段进行测量。速度大小v= m/s=0.76 m/s。
14.(8分)“验证机械能守恒定律”的实验采用重物自由下落的方法。(g取10 m/s2)
(1)用公式mv2=mgh时,对纸带上起点的要求是初速度为________,为达到此目的,所选择的纸带第1、2两点间距应接近________(打点计时器打点的时间间隔为0.02 s)。
(2)若实验中所用重物质量m=1 kg,打点纸带如图甲所示,打点时间间隔为0.02 s,则记录B点时,重物速度vB=________,重物的动能EkB=________,从开始下落至B点,重物的重力势能减少量是________,因此可得出的结论是__________________________。
(3)根据纸带算出相关各点的速度值,量出下落的距离,则以为纵轴,以h为横轴画出的图线应是图乙中的________。
答案 (1)0 2 mm (2)0.59 m/s 0.174 J 0.176 J 在实验误差允许的范围内,重物动能的增加量等于重力势能的减少量 (3)C
解析 (1)用mv2=mgh验证机械能守恒定律,应使初速度为0,所选纸带的第1、2两点间距应接近2 mm。
(2)vB== m/s=0.59 m/s,
EkB=mv=×1×0.592 J≈0.174 J,
重力势能减少量ΔEp=mgh=1×10×17.6×10-3 J=0.176 J,这说明在实验误差允许的范围内,重物动能的增加量等于重力势能的减少量。
(3)由mv2=mgh可得=gh∝h,故C正确。
三、计算题(本题共4小题,共40分。要有必要的文字说明和演算步骤。有数值计算的题注明单位)
15.(9分)如图所示,质量m=2 kg的小球用长L=1.05 m的轻质细绳悬挂在距水平地面高H=6.05 m的O点。现将细绳拉直至水平状态,自A点无初速度释放小球,运动至悬点O的正下方B点时细绳恰好断裂,接着小球做平抛运动,落至水平地面上C点。不计空气阻力,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)细绳能承受的最大拉力;
(2)细绳断裂后小球在空中运动所用的时间;
(3)小球落地瞬间速度的大小。
答案 (1)60 N (2)1 s (3)11 m/s
解析 (1)根据机械能守恒定律得mgL=mv
由牛顿第二定律得F-mg=m
解得最大拉力F=3mg=60 N,
根据牛顿第三定律可知,细绳能承受的最大拉力为60 N。
(2)细绳断裂后,小球做平抛运动,且H-L=gt2
故t== s=1 s。
(3)整个过程,小球的机械能不变,故mgH=mv
所以vC== m/s=11 m/s。
16.(9分)如图所示,半径R=0.4 m的光滑半圆轨道与粗糙的水平面相切于A点,质量为m=1 kg的小物体(可视为质点)在水平拉力F的作用下,从静止开始由C点运动到A点,物体从A点进入半圆轨道的同时撤去外力F,物体沿半圆轨道通过最高点B后做平抛运动,正好落在C点,已知xAC=2 m,F=15 N,g取10 m/s2,试求:
(1)物体在B点时的速度大小以及此时半圆轨道对物体的弹力大小;
(2)物体从C到A的过程中,摩擦力做的功。
答案 (1)5 m/s 52.5 N (2)-9.5 J
解析 (1)设物体在B点的速度为v,由B到C做平抛运动
2R=gt2,xAC=vt,
解得v=5 m/s
由牛顿第二定律有FN+mg=m,解得FN=52.5 N
(2)从A到B,由机械能守恒得mv=mv2+mg·2R
由C到A应用动能定理可得FxAC+Wf=mv-0,
联立解得Wf=-9.5 J。
17.(10分)如图甲所示,在水平路段AB上有一质量为2×103 kg的汽车,正以10 m/s的速度向右匀速运动,汽车前方的水平路段BC较粗糙,汽车通过整个ABC路段的v?t图象如图乙所示(在t=15 s处水平虚线与曲线相切),运动过程中汽车发动机的输出功率保持20 kW 不变,假设汽车在两个路段上受到的阻力(含地面摩擦力和空气阻力等)各自有恒定的大小。
(1)求汽车在AB路段上运动时所受的阻力Ff1;
(2)求汽车刚好到达B点时的加速度a;
(3)求BC路段的长度。
答案 (1)2000 N (2)-1 m/s2 (3)68.75 m
解析 (1)汽车在AB路段时,有F1=Ff1,P=F1v1,
联立解得:Ff1== N=2000 N。
(2)t=15 s时汽车处于平衡态,有F2=Ff2,P=F2v2,
联立解得:Ff2== N=4000 N
t=5 s时汽车开始减速运动,有F1-Ff2=ma,解得
a=-1 m/s2。
(3)从B到C由动能定理可得
Pt-Ff2x=mv-mv
解得x=68.75 m。
18.(12分)滑板运动是极限运动的鼻祖,许多极限运动项目均由滑板项目延伸而来。如图是滑板运动的轨道,BC和DE是两段光滑圆弧形轨道,BC段的圆心为O点,圆心角为60°,半径OC与水平轨道CD垂直,水平轨道CD段粗糙且长8 m。某运动员从轨道上的A点以3 m/s的速度水平滑出,在B点刚好沿轨道的切线方向滑入圆弧形轨道BC,经CD轨道后冲上DE轨道,到达E点时速度减为零,然后返回。已知运动员和滑板的总质量为60 kg,B、E两点到水平轨道CD的竖直高度分别为h和H,且h=2 m,H=2.8 m,g取10 m/s2。求:
(1)运动员从A点运动到达B点时的速度大小vB;
(2)轨道CD段的动摩擦因数μ;
(3)通过计算说明,第一次返回时,运动员能否回到B点?如能,请求出回到B点时速度的大小;如不能,则最后停在何处?
答案 (1)6 m/s (2)0.125
(3)不能回到B处,最后停在D点左侧6.4 m处(或C点右侧1.6 m处)
解析 (1)由题意可知:vB=,解得vB=6 m/s。
(2)从B点到E点,由动能定理可得:
mgh-μmgsCD-mgH=0-mv
代入数据可得:μ=0.125。
(3)设运动员能到达左侧的最大高度为h′,从B到第一次返回左侧最高处,根据动能定理得:
mgh-mgh′-μmg·2sCD=0-mv
解得h′=1.8 m设运动员从B点运动到停止,在CD段的总路程为s,由动能定理可得:mgh-μmgs=0-mv
解得s=30.4 m。
因为s=3sCD+6.4 m,所以运动员最后停在D点左侧6.4 m处(或C点右侧1.6 m处)。