如图所示,将质量均为m厚度不计的两物块A、B用轻质弹簧相连接。第一次只用手托着B物块于H高度,A在弹簧弹力的作用下处于静止,现将弹簧锁定,此时弹簧的弹性势能为Ep,现由静止释放A、B,B物块刚要着地前瞬间将弹簧瞬间解除锁定(解除锁定无机构能损失),B物块着地后速度立即变为O,在随后的过程中B物块恰能离开地面但不继续上升。第二次用手拿着A、B两物块,使得弹簧竖直并处于原长状态,此时物块B离地面的距离也为H,然后由静止同时释放A、B,B物块着地后速度同样立即变为0。求:
(1)第二次释放A、B后,A上升至弹簧恢复原长时的速度v1;
(2)第二次释放A、B后,B刚要离地时A的速度v2。
(1)第二次释放A、B后,A、B自由落体运动,B着地后,A和弹簧相互作用至A上升到弹簧恢复原长过程中,弹簧对A做的总功为零。
对A从开始下落至弹簧恢复原长过程,对A由动能定理有 ①
解得 方向向上
(2)设弹簧的劲度系数为k,第一次释放AB前,弹簧向上产生的弹力与A的重力平衡。
设弹簧的形变量(压缩)为 ②
第一次释放AB后,B刚要离地时弹簧产生向上的弹力与B的重力平衡
设弹簧的形变量(伸长)为 ③
第二次释放AB后,在B刚要离地时弹簧产生向上的弹力与B的重力平衡
设弹簧的形变量(伸长)为 ④
由②③④得 ⑤
即这三个状态,弹簧的弹性势能都为Ep
在第一次释放AB后至B着地前过程,对A、B和弹簧组成的系统由机械能守恒有
⑥
从B着地后到B刚要离地的过程,对A和弹簧组成的系统,由机械能守恒有
⑦
第二次释放后,对A的弹簧系统,从A上升至弹簧恢复原长到B刚要离地过程,由机械能守恒有 ⑧
由①⑥⑦⑧得
如图所示为研究电子枪中电子在电场中运动的简化模型示意图。在Oxy平面的ABCD区域内,存在两个场强大小均为E的匀强电场I和II,两电场的边界均是边长为L的正方形(不计电子所受重力)。
(1)在该区域AB边的中点处由静止释放电子,求电子离开ABCD区域的位置。
(2)在电场I区域内适当位置由静止释放电子,电子恰能从ABCD区域左下角D处离开,求所有释放点的位置。
(3)若将左侧电场II整体水平向右移动L/n(n≥1),仍使电子从ABCD区域左下角D处离开(D不随电场移动),求在电场I区域内由静止释放电子的所有位置。
(1)设电子的质量为m,电量为e,电子在电场I中做匀加速直线运动,出区域I时的为v0,此后电场II做类平抛运动,假设电子从CD边射出,出射点纵坐标为y,有
解得 y=,所以原假设成立,即电子离开ABCD区域的位置坐标为(-2L,)
(2)设释放点在电场区域I中,其坐标为(x,y),在电场I中电子被加速到v1,然后进入电场II做类平抛运动,并从D点离开,有
解得 xy=,即在电场I区域内满足议程的点即为所求位置。
(3)设电子从(x,y)点释放,在电场I中加速到v2,进入电场II后做类平抛运动,在高度为y′处离开电场II时的情景与(2)中类似,然后电子做匀速直线运动,经过D点,则有
, 解得 ,即在电场I区域内满足议程的点即为所求位置
水平面内固定一U形光滑金属导轨,轨道宽d =2m,导轨的左端接有R=0.3Ω的电阻,导轨上放一阻值为R0 =0.1Ω,m=0.1kg的导体棒ab,其余电阻不计,导体棒ab用水平轻线通过定滑轮连接处于水平地面上质量M=0.3 kg的重物,空间有竖直向上的匀强磁场,如图所示.已知t=0时,B=1T,,此时重物上方的连线刚刚被拉直.从t=0开始,磁场以=0.1 T/s均匀增加,取g=10m/s2.求:
(1)经过多长时间t物体才被拉离地面.
(2)在此时间t内电阻R上产生的电热Q.
(1)由法拉第电磁感应定律可求出回路感应电动势
E= ①(2分)
由闭合电路欧姆定律可求出回路中电流
I= ②(2分)
在t时磁感应强度为
B′=(B+・t) ③(2分)
此时安培力为
④(2分)
物体被拉动的临界条件为
=Mg ⑤(2分)
由①②③④⑤式并代入数据得
t=20 s ⑥(2分)
所以经过t=20 s物体能被拉动.
(2)在此时间t内电阻R上产生的电热
Q = I2R t ⑦(2分)
由②⑥⑦式并代入数据得
Q =1.5 J ⑧(2分)
如图所示,PQNM是表面光滑、倾角为30°的绝缘斜面,斜面上宽度为L的矩形区域P′Q′N′M′内存在垂直于斜面向下、磁感应强度为B的匀强磁场。现将质量为m、边长为L的单匝正方形金属线框abcd放在斜面上,使其由静止开始沿斜面下滑。若已知cd∥N′M′∥NM,线框开始运动时cd边与P′Q′的距离为2L,线框恰能做匀速运动通过磁场区域,重力加速度为g。求:
(1)线框的电阻。
(2)线框在通过磁场区域的过程中产生的热量。
(1)设cd边即将进入磁场时的速度为v
由机械能守恒定律有
解得
线框在磁场中受到重力、支持力和安培力作用做匀速运动
安培力
由平衡条件有
解得
(2)线框在通过磁场区域的过程中,减少的重力势能全部转化为电能,
所以,产生的热量
质量为m=1.0kg、带电量q=2.5×10-4C的小滑块(可视为质点)放在质量为M=2.0kg的绝缘长木板的左端,木板放在光滑水平面上,滑块与木板之间的动摩擦因数为μ=0.2,木板长L=1.5m,开始时两者都处于静止状态,所在空间加有一个方向竖直向下强度为E=4.0×104N/C的匀强电场,如图所示.取g=10m/s2,试求:
(1)用水平力F0拉小滑块,要使小滑块与木板以相同的速度一起运动,力F0应满足什么条件?
(2)用水平恒力F拉小滑块向木板的右端运动,在1.0s末使滑块从木板右端滑出,力F应为多大?
(3)按第(2)问的力F作用,小滑块从静止开始到刚刚从木板右端滑出的过程中,系统的内能增加了多少?(设m与M之间最大静摩擦力与它们之间的滑动摩擦力大小相等,滑块在运动中带电量不变)
(1)当拉力F0作用于滑块 m上,木板能够产生的最 大加速度为:为使滑块与木板共同运动,滑块最大加速度am≤aM 对于滑块有: , 即为使滑块与木板之间无相对滑动,力F0不应超过6.0N.(2)设滑块相对于水平面的加速度为a1,木板的加速度为a2,由运动学关系可知:, ,滑动过程中木板的加速度a2=2.0m/s2 ,则可得滑块运动的加速度a1=5.0m/s2 对滑块:(3)在将小滑块从木板右端拉出的过程中,系统的内能增加了:J
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