(通用版)2021版高考物理大一輪復(fù)習(xí) 課后限時(shí)集訓(xùn)16 機(jī)械能守恒定律及其應(yīng)用
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1、課后限時(shí)集訓(xùn)16 機(jī)械能守恒定律及其應(yīng)用 建議用時(shí):45分鐘 1.在如圖所示的物理過(guò)程示意圖中,甲圖一端固定有小球的輕桿,從右偏上30°角釋放后繞光滑支點(diǎn)擺動(dòng);乙圖為末端固定有小球的輕質(zhì)直角架,釋放后繞通過(guò)直角頂點(diǎn)的固定軸O無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng);丙圖為輕繩一端連著一小球,從右偏上30°角處自由釋放;丁圖為置于光滑水平面上的帶有豎直支架的小車(chē),把用細(xì)繩懸掛的小球從圖示位置釋放,小球開(kāi)始擺動(dòng),則關(guān)于這幾個(gè)物理過(guò)程(空氣阻力忽略不計(jì)),下列判斷中正確的是( ) 甲 乙 丙 丁 A.甲圖中小球機(jī)械能守恒 B.乙圖中小球A機(jī)械能守恒 C.丙圖中小球機(jī)械能
2、守恒 D.丁圖中小球機(jī)械能守恒 A [甲圖過(guò)程中輕桿對(duì)小球不做功,小球的機(jī)械能守恒,A項(xiàng)正確;乙圖過(guò)程中輕桿對(duì)小球A的彈力不沿桿的方向,會(huì)對(duì)小球做功,所以小球A的機(jī)械能不守恒,但兩個(gè)小球組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,B項(xiàng)錯(cuò)誤;丙圖中小球在繩子繃緊的瞬間有動(dòng)能損失,機(jī)械能不守恒,C項(xiàng)錯(cuò)誤;丁圖中小球和小車(chē)組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,但小球的機(jī)械能不守恒,這是因?yàn)閿[動(dòng)過(guò)程中小球的軌跡不是圓弧,細(xì)繩會(huì)對(duì)小球做功,D項(xiàng)錯(cuò)誤。] 2.(多選)如圖所示,兩質(zhì)量相同的小球A、B,分別用線懸在等高的O1、O2點(diǎn),A球的懸線比B球的長(zhǎng),把兩球的懸線均拉到水平位置后將小球無(wú)初速度釋放,則經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)(以懸點(diǎn)為零勢(shì)能點(diǎn))(
3、 ) A.A球的速度等于B球的速度 B.A球的動(dòng)能大于B球的動(dòng)能 C.A球的機(jī)械能大于B球的機(jī)械能 D.A球的機(jī)械能等于B球的機(jī)械能 BD [初始時(shí)刻,兩球的動(dòng)能和勢(shì)能均為0,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只有重力做功,機(jī)械能守恒,所以到達(dá)最低點(diǎn)時(shí),兩球的機(jī)械能相等,兩球獲得的動(dòng)能分別等于各自重力勢(shì)能的減少量,即Ek=mgl。] 3.(2019·上海長(zhǎng)寧區(qū)期末)從地面豎直上拋兩個(gè)質(zhì)量不同、初動(dòng)能相同的小球,不計(jì)空氣阻力,以地面為零勢(shì)能面,當(dāng)兩小球上升到同一高度時(shí),則( ) A.它們具有的重力勢(shì)能相等 B.質(zhì)量小的小球動(dòng)能一定小 C.它們具有的機(jī)械能相等 D.質(zhì)量大的小球機(jī)械能一定大
4、C [在上升到相同高度時(shí),由于兩小球質(zhì)量不同,由重力勢(shì)能Ep=mgh可知重力勢(shì)能不同,故A錯(cuò)誤;在小球上升過(guò)程中,根據(jù)機(jī)械能守恒定律,有Ek=E-mgh,其中E為兩小球相同的初始動(dòng)能。在上升到相同高度時(shí),h相同,質(zhì)量小的小球動(dòng)能Ek大,故B錯(cuò)誤;在上升過(guò)程中,只有重力做功,兩小球機(jī)械能守恒,由于初動(dòng)能相同,則它們具有的機(jī)械能相等,故C正確,D錯(cuò)誤。] 4.(2019·昆明、玉溪統(tǒng)考)如圖所示,固定的傾斜光滑桿上套有一質(zhì)量為m的小球,小球與一輕質(zhì)彈簧一端相連,彈簧的另一端固定在地面上的A點(diǎn),已知桿與水平面之間的夾角θ<45°,當(dāng)小球位于B點(diǎn)時(shí),彈簧與桿垂直,此時(shí)彈簧處于原長(zhǎng)?,F(xiàn)讓小球自C點(diǎn)由靜
5、止釋放,在小球滑到桿底端(此時(shí)小球速度為零)的整個(gè)過(guò)程中,關(guān)于小球的動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈簧的彈性勢(shì)能,下列說(shuō)法正確的是( ) A.小球的動(dòng)能與重力勢(shì)能之和保持不變 B.小球的動(dòng)能與重力勢(shì)能之和先增大后減小 C.小球的動(dòng)能與彈簧的彈性勢(shì)能之和保持不變 D.小球的重力勢(shì)能與彈簧的彈性勢(shì)能之和保持不變 B [小球與彈簧組成的系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中,機(jī)械能守恒,彈簧處于原長(zhǎng)時(shí)彈性勢(shì)能為零,小球從C點(diǎn)到最低點(diǎn)過(guò)程中,彈簧的彈性勢(shì)能先減小后增大,所以小球的動(dòng)能與重力勢(shì)能之和先增大后減小,A項(xiàng)錯(cuò),B項(xiàng)對(duì);小球的重力勢(shì)能不斷減小,所以小球的動(dòng)能與彈簧的彈性勢(shì)能之和不斷增大,C項(xiàng)錯(cuò);小球的初、末動(dòng)能均為
6、零,所以整個(gè)過(guò)程中小球的動(dòng)能先增大后減小,所以小球的重力勢(shì)能與彈簧的彈性勢(shì)能之和先減小后增大,D項(xiàng)錯(cuò)。] 5.(多選)(2019·臨沂2月檢測(cè))如圖所示,半徑為R的光滑圓弧軌道AO對(duì)接半徑為2R的光滑圓弧軌道OB于O點(diǎn)??梢暈橘|(zhì)點(diǎn)的物體從上面圓弧的某點(diǎn)C由靜止下滑(C點(diǎn)未標(biāo)出),物體恰能從O點(diǎn)平拋出去。則( ) A.∠CO1O=60° B.∠CO1O=90° C.落地點(diǎn)距O2的距離為2R D.落地點(diǎn)距O2的距離為2R BC [要使物體恰能從O點(diǎn)平拋出去,在O點(diǎn)有mg=m,解得物體從O點(diǎn)平拋出去的最小速度為v=。設(shè)∠CO1O=θ,由機(jī)械能守恒定律可知,mgR(1-cos θ)=
7、mv2,解得θ=90°,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;由平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得,x=vt,2R=gt2,解得落地點(diǎn)距O2為2R,選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。] 6.有一條長(zhǎng)為2 m的均勻金屬鏈條,有一半長(zhǎng)度在光滑的足夠高的斜面上,斜面頂端是一個(gè)很小的圓弧,斜面傾角為30°,另一半長(zhǎng)度豎直下垂在空中,當(dāng)鏈條從靜止開(kāi)始釋放后鏈條沿斜面向上滑動(dòng),則鏈條剛好全部滑出斜面時(shí)的速度為(g取10 m/s2)( ) A.2.5 m/s B. m/s C. m/s D. m/s B [鏈條的質(zhì)量為2m,以開(kāi)始時(shí)鏈條的最高點(diǎn)為零勢(shì)能面,鏈條的機(jī)械能為 E=Ep+Ek=-×2mg×sin θ-×2mg×+0=-mgL
8、(1+sin θ) 鏈條全部滑出后,動(dòng)能為 E′k=×2mv2 重力勢(shì)能為E′p=-2mg 由機(jī)械能守恒定律可得E=E′k+E′p 即-mgL(1+sin θ)=mv2-mgL 解得v== m/s, 故B正確,A、C、D錯(cuò)誤。] 7.如圖所示,將一質(zhì)量為m=0.1 kg的小球自水平平臺(tái)右端O點(diǎn)以初速度v0水平拋出,小球飛離平臺(tái)后由A點(diǎn)沿切線方向落入豎直光滑圓軌道ABC,并沿軌道恰好通過(guò)最高點(diǎn)C,圓軌道ABC的形狀為半徑R=2.5 m的圓截去了左上角127°的圓弧,CB為其豎直直徑,(sin 53°=0.8,cos 53°=0.6,重力加速度g取10 m/s2)求: (1)
9、小球經(jīng)過(guò)C點(diǎn)的速度大??; (2)小球運(yùn)動(dòng)到軌道最低點(diǎn)B時(shí)軌道對(duì)小球的支持力的大小; (3)平臺(tái)末端O點(diǎn)到A點(diǎn)的豎直高度H。 [解析] (1)小球恰好運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)時(shí),重力提供向心力 即mg=m,vC==5 m/s。 (2)從B點(diǎn)到C點(diǎn),由機(jī)械能守恒定律有 mv+mg·2R=mv 在B點(diǎn)對(duì)小球進(jìn)行受力分析,由牛頓第二定律有 FN-mg=m 聯(lián)立解得vB=5 m/s,F(xiàn)N=6 N。 (3)從A到B,由機(jī)械能守恒定律有 mv+mgR(1-cos 53°)=mv 所以vA= m/s 在A點(diǎn)進(jìn)行速度的分解有vy=vAsin 53° 所以H==3.36 m。 [答案] (1)5
10、m/s (2)6 N (3)3.36 m 8.(2019·龍巖質(zhì)檢)如圖所示,固定的傾斜光滑桿上套有一個(gè)質(zhì)量為m的圓環(huán),圓環(huán)與一根輕質(zhì)彈性橡皮繩相連,橡皮繩的另一端固定在地面上的A點(diǎn),橡皮繩豎直且處于原長(zhǎng),原長(zhǎng)為h,現(xiàn)讓圓環(huán)沿桿從靜止開(kāi)始下滑,滑到桿的底端時(shí)速度為零。則在圓環(huán)下滑過(guò)程中(整個(gè)過(guò)程中橡皮繩始終處于彈性限度內(nèi)),下列說(shuō)法中正確的是( ) A.圓環(huán)的機(jī)械能守恒 B.圓環(huán)的機(jī)械能先增大后減小 C.圓環(huán)滑到桿的底端時(shí)機(jī)械能減少了mgh D.橡皮繩再次恰好恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí),圓環(huán)動(dòng)能最大 C [圓環(huán)沿桿滑下,滑到桿的底端的過(guò)程中有兩個(gè)力對(duì)圓環(huán)做功,即環(huán)的重力和橡皮繩的拉力,所
11、以圓環(huán)的機(jī)械能不守恒,如果把圓環(huán)和橡皮繩組成的系統(tǒng)作為研究對(duì)象,則系統(tǒng)的機(jī)械能守恒,因?yàn)橄鹌だK的彈性勢(shì)能先不變?cè)僭龃?,所以圓環(huán)的機(jī)械能先不變后減小,故A、B錯(cuò)誤;圓環(huán)滑到桿的底端時(shí)動(dòng)能為零,重力勢(shì)能減小了mgh,即圓環(huán)的機(jī)械能減少了mgh,故C正確;在圓環(huán)下滑過(guò)程中,橡皮繩再次恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí),該過(guò)程中圓環(huán)動(dòng)能一直增大,但不是最大,沿桿方向合力為零的時(shí)刻,圓環(huán)加速度為零,圓環(huán)的速度最大,故D錯(cuò)誤。] 9.(多選)(2019·佛山七校聯(lián)考)如圖所示,長(zhǎng)度為l的豎直輕桿上端連著一質(zhì)量為m的小球A(可視為質(zhì)點(diǎn)),桿的下端用鉸鏈連接于水平地面上的O點(diǎn)。置于同一水平地面上的正方體B恰與A接觸,正方體B的質(zhì)量
12、為M。今有微小擾動(dòng),使桿向右傾倒,各處摩擦均不計(jì),而A與B剛脫離接觸的瞬間,桿與地面夾角恰為,重力加速度為g,則下列說(shuō)法正確的是( ) A.A與B剛脫離接觸的瞬間,A、B速率之比為2∶1 B.A與B剛脫離接觸的瞬間,B的速率為 C.A落地時(shí)速率為 D.A、B質(zhì)量之比為1∶4 ABD [設(shè)小球速度為vA,正方體速度為vB,分離時(shí)刻,小球的水平速度與正方體速度相同,即vAsin 30°=vB,解得vA=2vB,故A正確;根據(jù)牛頓第二定律有mgsin 30°=m,解得vA=,vB==,故B正確;A從分離到落地,小球機(jī)械能守恒,有mglsin 30°=mv2-mv,v=,故C錯(cuò)誤;在桿
13、從豎直位置開(kāi)始傾倒到小球與正方體恰好分離的過(guò)程中,小球和正方體組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,則有mgl(1-sin 30°)=mv+Mv,把vA和vB的值代入,化簡(jiǎn)得m∶M=1∶4,故D正確。] 10.(2019·泰州一模)如圖所示,在傾角為30°的光滑斜面上,一勁度系數(shù)為k=200 N/m的輕質(zhì)彈簧一端連接固定擋板C上,另一端連接一質(zhì)量為m=4 kg的物體A,一輕細(xì)繩通過(guò)定滑輪,一端系在物體A上,另一端與質(zhì)量也為m的物體B相連,細(xì)繩與斜面平行,斜面足夠長(zhǎng)。用手托住物體B使繩子剛好沒(méi)有拉力,然后由靜止釋放。求: (1)彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí)細(xì)繩上的拉力; (2)物體A沿斜面向上運(yùn)動(dòng)多遠(yuǎn)時(shí)獲得最大速度
14、; (3)物體A的最大速度的大小。 [解析] (1)恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí) 對(duì)B有mg-FT=ma 對(duì)A有FT-mgsin 30°=ma 解得FT=30 N。 (2)初態(tài)彈簧壓縮x1==10 cm 當(dāng)A速度最大時(shí)mg=kx2+mgsin 30° 彈簧伸長(zhǎng)x2==10 cm 所以A沿斜面上升x1+x2=20 cm。 (3)因x1=x2,故彈性勢(shì)能改變量ΔEp=0 由系統(tǒng)機(jī)械能守恒 mg(x1+x2)-mg(x1+x2)sin 30°=×2m·v2 得v=1 m/s。 [答案] (1)30 N (2)20 cm (3)1 m/s 11.如圖所示,半徑為r、質(zhì)量不計(jì)的圓盤(pán)盤(pán)面與地面
15、垂直,圓心處有一個(gè)垂直于盤(pán)面的光滑水平固定軸O,在盤(pán)的右邊緣固定有一個(gè)質(zhì)量為m的小球A,在O點(diǎn)正下方離O點(diǎn)處固定一個(gè)質(zhì)量也為m的小球B,放開(kāi)盤(pán)讓其自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 (1)當(dāng)A轉(zhuǎn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí),兩小球的重力勢(shì)能之和減少了多少? (2)A球轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時(shí)的線速度是多少? [解析] (1)以通過(guò)固定軸O的水平面為零勢(shì)能面,開(kāi)始時(shí)兩球的重力勢(shì)能之和為 Ep1=EpA+EpB=0-mgr=-mgr 當(dāng)小球A轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)時(shí)兩小球重力勢(shì)能之和為 Ep2=EpA+EpB=-mgr+0=-mgr 故兩球重力勢(shì)能之和減少量為 ΔEp減=Ep1-Ep2=-mgr-(-mgr)=mgr。 (2)由于圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,系統(tǒng)只有動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒,因此系統(tǒng)的重力勢(shì)能的減少一定等于兩球動(dòng)能的增加。設(shè)A球轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)時(shí),A、B的線速度分別為vA和vB,則mgr=mv+mv。因A、B兩球固定在同一圓盤(pán)上,轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中角速度相等,故線速度的關(guān)系為vA=2vB,解得vA=。 [答案] (1)mgr (2) 7
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