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机械能守恒定律解答力学题比用物体只受重力作用

更新时间:2024-04-08 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

机械能守恒定律是:“只有重力作用时,物体的动能和重力势能相互转换,但机械能总量保持不变”。 这里唯一的条件是“只有重力起作用”,而重力做功的特性只与物体起始位置和终止位置的高度差有关,与物体走过的路径无关。 因此,应用机械能守恒定律解决力学问题比使用牛顿定律更简单。 然而,对于“只有重力起作用”来说,这个条件很难把握。 物体只受重力影响吗? 如果物体还受到其他外力的作用怎么办? 下面从几个方面来阐述这个问题。VHt物理好资源网(原物理ok网)

1、运动过程中,物体仅受重力影响。VHt物理好资源网(原物理ok网)

例 1. 将质量为 5kg 的物体以 40m/s 的速度从距地面 100m 的高度从飞机上抛出。 如果不考虑空气阻力,物体落地时的速度是多少? (VHt物理好资源网(原物理ok网)

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分析:这题只给出了抛出物体的速度,没有给出速度的方向。 显然用牛顿定律是无法解决的。 物体被抛出后,只受到重力的影响,只有重力对物体做功,所以机械能守恒。以地面作为重力势能的零势面,设物体下落时的速度到地面VHt物理好资源网(原物理ok网)

,则有:VHt物理好资源网(原物理ok网)

2、物体除了重力外,还受到其他力的作用,但其他力不做功。VHt物理好资源网(原物理ok网)

示例 2. 质量为 m 的小球沿着光滑的弯曲轨道滑动。 轨道形状如图1所示,与弯曲轨道相连的圆形轨道的半径为R。要使小球沿着光滑的圆形轨道通过圆的顶点,距最低点的高度是多少球是否应该从静止状态开始向下滑行?VHt物理好资源网(原物理ok网)

图1VHt物理好资源网(原物理ok网)

分析:球在轨道上滑动时,受到重力和轨道支撑力的影响。 但支撑力始终垂直于球的运动方向,对球没有做功。 也就是说,在整个运动过程中机械能守恒的条件,只有重力在起作用。 那么机械能守恒。假设轨道最低点的水平面是零势能面。 球从最低点开始向下滑动,高度为 h。 小球到达圆形轨道最高点时的速度为VHt物理好资源网(原物理ok网)

根据机械能守恒定律:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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为了让球精确地沿着圆形轨道通过最高点,它应该是:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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由式①②可解VHt物理好资源网(原物理ok网)

3. 物体在运动过程中所施加的重力会发生变化,但只有重力起作用。VHt物理好资源网(原物理ok网)

例 3. 链的总长度为 l。 它被放置在光滑的水平桌子上。 链条的一端悬挂在桌子边缘之外。 链的长度为d。 开始用手拉链条,如图2所示。不考虑空气阻力,松开后链条末端离开桌子边缘的速度是多少?VHt物理好资源网(原物理ok网)

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图2VHt物理好资源网(原物理ok网)

分析:松开后链条向下落,并受重力加速。 随着悬挂部分的增加,产生加速度的重力也增加,链条加速。 但整个过程中,桌面对链条的支撑力并不做功,只有重力做功,机械能守恒。VHt物理好资源网(原物理ok网)

设链条单位长度的质量为VHt物理好资源网(原物理ok网)

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,其末端离开桌面的速度为v。以桌面为重力势能的零势能面,根据机械能守恒定律:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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所以:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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4. 物体系统有其他力做功,但所做功的代数和为零。VHt物理好资源网(原物理ok网)

例 4. 如图 3 所示,质量分别为 2m 和 m 的小球 A 和 B(可视为质点)通过不可延伸的细线连接,并横跨在具有固定半径 R 的光滑圆柱体的两侧。 。 开始时,球A和球B与圆柱体轴线在同一直线上,用手支撑球A。 释放 A 球后,A 球和 B 球开始滑动。 求B球滑到气缸最高点时气缸上的压力?VHt物理好资源网(原物理ok网)

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图3VHt物理好资源网(原物理ok网)

分析:本题的关键是求球B到达圆柱体最高点时的速度。 两个小球A和B用细线连接起来。 当 A 球落下、B 球上升时,虽然细线的拉力对它们做功,但拉力对 A 球做负功,对 B 球做正功。对于由 A 球和 B 球组成的系统机械能守恒的条件,有拉力所做的功的代数和为零,因此机械能守恒,利用机械能守恒定律可以求出B的速度。VHt物理好资源网(原物理ok网)

由机械能守恒定律可知:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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解决方案必须:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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当球 B 位于圆柱体最高点时:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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,解决方案必须:VHt物理好资源网(原物理ok网)

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发现N小于零,说明球B到达气缸最高点时已脱离气缸,即气缸上的压力为零。VHt物理好资源网(原物理ok网)

应用机械能守恒定律解决问题时,首先要分析物体所受的力,明确物体运动过程中这些力所做的功。 如果只有重力起作用,则可以用机械能守恒定律来解决问题。VHt物理好资源网(原物理ok网)

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