物理动能与动能定理模拟试题含解析

一、高中物理精讲专题测试动能与动能定理

1．如图所示，质量m =3kg 的小物块以初速度秽v 0=4m/s 水平向右抛出，恰好从A 点沿着圆弧的切线方向进入圆弧轨道。圆弧轨道的半径为R = 3.75m ，B 点是圆弧轨道的最低点，圆弧轨道与水平轨道BD 平滑连接，A 与圆心D 的连线与竖直方向成37?角，MN 是一段粗糙的水平轨道，小物块与MN 间的动摩擦因数μ=0.1，轨道其他部分光滑。最右侧是一个半径为r =0.4m 的半圆弧轨道，C 点是圆弧轨道的最高点，半圆弧轨道与水平轨道BD 在D 点平滑连接。已知重力加速度g =10m/s 2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。（1）求小物块经过B 点时对轨道的压力大小；

（2）若MN 的长度为L 0=6m ，求小物块通过C 点时对轨道的压力大小；（3）若小物块恰好能通过C 点，求MN 的长度L 。

【答案】（1）62N （2）60N （3）10m 【解析】【详解】

（1）物块做平抛运动到A 点时，根据平抛运动的规律有：0cos37A v v ==? 解得：04

m /5m /cos370.8

A v v s s =

==?

小物块经过A 点运动到B 点，根据机械能守恒定律有：

()2211cos3722

A B mv mg R R mv +-?= 小物块经过B 点时，有：2

NB v F mg m R

-= 解得：()232cos3762N B

v F mg m R

=-?+=

根据牛顿第三定律，小物块对轨道的压力大小是62N （2）小物块由B 点运动到C 点，根据动能定理有：

22011222

C B mgL mg r mv mv μ--?=

- 在C 点，由牛顿第二定律得：2

NC v F mg m r

代入数据解得：60N NC F =

根据牛顿第三定律，小物块通过C 点时对轨道的压力大小是60N

（3）小物块刚好能通过C 点时，根据22C

v mg m r

解得：2100.4m /2m /C v gr s s =

=?=

小物块从B 点运动到C 点的过程，根据动能定理有：

22211222

C B mgL mg r mv mv μ--?=

- 代入数据解得：L =10m

2．如图所示，足够长的光滑绝缘水平台左端固定一被压缩的绝缘轻质弹簧，一个质量

0.04kg m =，电量4310C q -=?的带负电小物块与弹簧接触但不栓接，弹簧的弹性势能

为0.32J 。某一瞬间释放弹簧弹出小物块，小物块从水平台右端A 点飞出，恰好能没有碰撞地落到粗糙倾斜轨道的最高点B ，并沿轨道BC 滑下，运动到光滑水平轨道CD ，从D 点进入到光滑竖直圆内侧轨道。已知倾斜轨道与水平方向夹角为37α?=，倾斜轨道长为

2.0m L =，带电小物块与倾斜轨道间的动摩擦因数0.5μ=。小物块在C 点没有能量损

失，所有轨道都是绝缘的，运动过程中小物块的电量保持不变，可视为质点。只有光滑竖直圆轨道处存在范围足够大的竖直向下的匀强电场，场强5210V/m E =?。已知

cos370.8?=，sin370.6?=，取2

10m/s g =，求：

（1）小物块运动到A 点时的速度大小A v ；（2）小物块运动到C 点时的速度大小C v ；

（3）要使小物块不离开圆轨道，圆轨道的半径应满足什么条件？

【答案】（1）4m/s ；（233；（3）R ?0.022m 【解析】【分析】【详解】

（1）释放弹簧过程中，弹簧推动物体做功，弹簧弹性势能转变为物体动能

212

P A E mv =

解得

220.32

4m/s 0.04P A E v

m ＝

＝＝? （2）A 到B 物体做平抛运动，到B 点有

cos37A B

v ?＝所以

5m/s 0.8

B v ＝

＝ B 到C 根据动能定理有

2211sin37cos3722

C B mgL mg L mv mv μ?-??=

- 解得

33m/s C v ＝

（3）根据题意可知，小球受到的电场力和重力的合力方向向上，其大小为

F=qE-mg =59.6N

所以D 点为等效最高点，则小球到达D 点时对轨道的压力为零，此时的速度最小，即

v F m R

＝

解得

D FR

v m

＝

所以要小物块不离开圆轨道则应满足v C ≥v D 得：

R ≤0.022m

3．如图所示，竖直平面内有一固定的光滑轨道ABCD ，其中AB 是足够长的水平轨道，B 端与半径为R 的光滑半圆轨道BCD 平滑相切连接，半圆的直径BD 竖直，C 点与圆心O 等高．现有一质量为m 的小球Q 静止在B 点，另一质量为2m 的小球P 沿轨道AB 向右匀速运动并与Q 发生对心碰撞，碰撞后瞬间小球Q 对半圆轨道B 点的压力大小为自身重力的7倍，碰撞后小球P 恰好到达C 点．重力加速度为g ．

（1）求碰撞前小球P 的速度大小；

（2）求小球Q 离开半圆轨道后落回水平面上的位置与B 点之间的距离；

（3）若只调节光滑半圆轨道BCD半径大小，求小球Q离开半圆轨道D点后落回水平面上的位置与B点之间的距离最大时，所对应的轨道半径是多少？

【答案】（1）（2）（3）

【解析】

【分析】

【详解】

设小球Q在B处的支持力为；碰后小球Q的速度为，小球P的速度为；碰前小球P 的速度为；小球Q到达D点的速度为.

(1)由牛顿第三定律得小球Q在B点

碰后小球Q在B点由牛顿第二定律得:

碰后小球P恰好到C点，由动能定理得:

P、Q对心碰撞，由动量守恒得：

联立解得:

(2)小球Q从B到D的过程中，由动能定理得：

解得，所以小球Q能够到达D点

由平抛运动规律有：

联立解得

(3)

联立解得:

当时x有最大值

所以

【点睛】

解决本题时要抓住弹簧的形变量相等时弹性势能相等这一隐含的条件，正确分析能量是如何转化，分段运用能量守恒定律列式是关键．

4．如图所示，斜面高为h，水平面上D、C两点距离为L。可以看成质点的物块从斜面顶

点A 处由静止释放，沿斜面AB 和水平面BC 运动，斜面和水平面衔接处用一长度可以忽略不计的光滑弯曲轨道连接，图中没有画出，不计经过衔接处B 点的速度大小变化，最终物块停在水平面上C 点。已知物块与斜面和水平面间的滑动摩擦系数均为μ。请证明：斜面倾角θ稍微增加后，（不改变斜面粗糙程度）从同一位置A 点由静止释放物块，如图中虚线所示，物块仍然停在同一位置C 点。

【答案】见解析所示【解析】【详解】

设斜面长为L '，倾角为θ，物块在水平面上滑动的距离为S ．对物块，由动能定理得：

cos 0mgh mg L mgS μθμ-?'-=

即：

cos 0sin h

mgh mg mgS μθμθ

-?-= 0tan h

mgh mg

mgS μμθ

--= 由几何关系可知：

tan h

L S θ

=- 则有：

()0mgh mg L S mgS μμ---=

0mgh mgL μ-=

解得：h

L μ

故斜面倾角θ稍微增加后，（不改变斜面粗糙程度）从同一位置A 点由静止释放物块，如图中虚线所示，物块仍然停在同一位置C 点。

5．如图甲所示，一倾角为37°的传送带以恒定速度运行．现将一质量m ＝1 kg 的小物体抛上传送带，物体相对地面的速度随时间变化的关系如图乙所示，取沿传送带向上为正方向，g ＝10 m/s 2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8：求：

（1）物体与传送带间的动摩擦因数；

（2） 0～8 s内物体机械能的增加量；

（3）物体与传送带摩擦产生的热量Q。

【答案】(1)μ＝0.875.(2)ΔE＝90 J（3）Q＝126 J

【解析】

【详解】

(1)由图象可以知道,传送带沿斜向上运动,物体放到传送带上的初速度方向是沿斜面向下的,且加速大小为的匀减速直线运动,对其受力分析,由牛顿第二定律得:

可解得：μ＝0.875.

（2）根据v-t图象与时间轴围成的“面积”大小等于物体的位移,可得0～8 s 内物体的位移

0～8 s s内物体的机械能的增加量等于物体重力势能的增加量和动能增加量之和,为

(3) 0～8 s内只有前6s发生相对滑动. 0～6 s内传送带运动距离为:

0～6 s内物体位移为:

则0～6 s内物体相对于皮带的位移为

0～8 s内物体与传送带因为摩擦产生的热量等于摩擦力乘以二者间的相对位移大小,

代入数据得：Q＝126 J

故本题答案是：(1)μ＝0.875.(2)ΔE＝90 J（3）Q＝126 J

【点睛】

对物体受力分析并结合图像的斜率求得加速度，在v-t图像中图像包围的面积代表物体运动做过的位移。

6．如图所示，一长度LAB=4．98m，倾角θ=30°的光滑斜面AB 和一固定粗糙水平台BC 平滑连接，水平台长度LBC=0．4m，离地面高度H=1．4m，在C 处有一挡板，小物块与挡板碰撞后原速率反弹，下方有一半球体与水平台相切，整个轨道处于竖直平面内。在斜面顶端A 处静止释放质量为m="2kg" 的小物块（可视为质点），忽略空气阻力，小物块与BC 间的动摩擦因素μ=0．1，g 取10m/s2。问：

（1）小物块第一次与挡板碰撞前的速度大小；

（2）小物块经过B 点多少次停下来，在BC 上运动的总路程为多少；

（3）某一次小物块与挡板碰撞反弹后拿走挡板，最后小物块落在D 点，已知半球体半径r=0．75m，OD 与水平面夹角为α=53°，求小物块与挡板第几次碰撞后拿走挡板？（取

）

【答案】（1）7 m/s；（2）63次 24．9m（3）25次

【解析】

试题分析：小物块从开始运动到与挡板碰撞，重力、摩擦力做功，运用动能定理。求小物块经过B 点多少次停下来，需要根据功能转化或动能定理求出小物块运动的路程，计算出经过B点多少次。小物块经过平抛运动到达D点，可以求出平抛时的初速度，进而求出在BC段上运动的距离以及和当班碰撞的次数。

（1）从A到C段运用动能定理

mgsin-L AB=mv2

v=7m/s

（2）从开始到最后停下在BC段所经过的路程为x

mgsin L AB-mgx=0

x=24．9m

=31．1

经过AB的次数为312+1=63次

（3）设小物块平抛时的初速度为V0

H -r=gt2

r+=v 0t

v0=3 m/s

设第n次后取走挡板

mv2-mv02=2L bc n

n=25次

考点：动能定理、平抛运动

【名师点睛】解决本题的关键一是要会根据平抛运动的规律求出落到D 时平抛运动的初速度；再一个容易出现错误的是在BC 段运动的路程与经过B 点次数的关系，需要认真确定。根据功能关系求出在BC 段运动的路程。

7．离子发动机是利用电能加速工质（工作介质）形成高速射流而产生推力的航天器发动机。其原理如图所示，其原理如下：首先系统将等离子体经系统处理后，从下方以恒定速率v 1向上射入有磁感应强度为B 1、方向垂直纸面向里的匀强磁场的区域I 内，栅电极MN 和PQ 间距为d 。当栅电极MN 、PQ 间形成稳定的电场后，自动关闭区域I 系统（包括进入其中的通道、匀强磁场B 1）。区域Ⅱ内有垂直纸面向外，磁感应强度大小为B 2，放在A 处的中性粒子离子化源能够发射任意角度，但速度均为v 2的正、负离子，正离子的质量为m ，电荷量为q ，正离子经过该磁场区域后形成宽度为D 的平行粒子束，经过栅电极MN 、PQ 之间的电场中加速后从栅电极PQ 喷出，在加速正离子的过程中探测器获得反向推力（不计各种粒子之间相互作用、正负离子、等离子体的重力，不计相对论效应）。求：

（1）求在A 处的正离子的速度大小v 2；

（2）正离子经过区域I 加速后，离开PQ 的速度大小v 3；

（3）在第（2）问中，假设航天器的总质量为M ，正在以速度v 沿MP 方向运动，已知现在的运动方向与预定方向MN 成θ角，如图所示。为了使飞船回到预定的飞行方向MN ，飞船启用推进器进行调整。如果沿垂直于飞船速度v 的方向进行推进，且推进器工作时间极短，为了使飞船回到预定的飞行方向，离子推进器喷射出的粒子数N 为多少？

【答案】（1）22qB D m ；（2222112284qdmv B q B D

m +322211

28qdmv B q B D +【解析】【详解】

（1）根据左手定则可知，正离子向右偏转，负离子向左偏转，不会进入区域1中，因此也不会产生相应推力。所以只有加速正离子过程中才会产生推力。正离子在磁场中做匀速圆

周运动时，洛伦兹力提供向心力：qv 2B 2=m 2

v r

，,根据题意，在A 处发射速度相等，方向

不同的正离子后，形成宽度为D 的平行正离子束，即：r =

，则在A 处的正离子的速度大

小v 2

22qB D

。（2）等离子体由下方进入区域I 后，在洛伦兹力的作用下偏转，当粒子受到的电场力等于洛伦兹力时，形成稳定的匀强电场，设等离子体的电荷量为q ′，则q ′E =q ′v 1B 1，即：E =B 1v 1；正离子束经过区域I 加速后，离开PQ 的速度大小为v 3，根据动能定理可知：qU =

12mv 32-1

mv 22，其中电压U =Ed =B 1v 1d 联立可得：v 3=222

1122

84qdmv B q B D m

+。（3）飞船方向调整前后，其速度合成矢量如图所示：

因此tan θ=

n ，离子喷出过程中，系统的动量守恒：M n v =Nmv 3，为了使飞船回到预定的飞行方向，离子推进器喷射出的粒子数N =

222

1128qdmv B q B D

8．一质量为m =0.5kg 的电动玩具车，从倾角为θ=30°的长直轨道底端，由静止开始沿轨道向上运动，4s 末功率达到最大值，之后保持该功率不变继续运动，运动的v -t 图象如图所示，其中AB 段为曲线，其他部分为直线.已知玩具车运动过程中所受摩擦阻力恒为自身重力的0.3倍，空气阻力不计.取重力加速度g =10m/s 2.

（1）求玩具车运动过程中的最大功率P ；

（2）求玩具车在4s 末时（图中A 点）的速度大小v 1；（3）若玩具车在12s 末刚好到达轨道的顶端，求轨道长度L . 【答案】（1）P =40W （2）v 1=8m/s （3）L =93.75m 【解析】【详解】

（1）由题意得，当玩具车达到最大速度v =10m/s 匀速运动时，牵引力：F =mg sin30°+0.3mg 由P =Fv

代入数据解得：P =40W

（2）玩具车在0-4s 内做匀加速直线运动，设加速度为a ，牵引力为F 1，由牛顿第二定律得：F 1-(mg sin30°+0.3mg )=ma 4s 末时玩具车功率达到最大，则P =F 1v 1 由运动学公式v 1=at 1 （其中t 1=4s ）代入数据解得:v 1=8m/s

（3）玩具车在0~4s 内运动位移x 1=2112

at 得：x 1=16m

玩具车在4~12s 功率恒定，设运动位移为x 2，设t 2=12s 木时玩具车速度为v ，由动能定理得

P (t 2-t 1)-(mg sin30°+0.3mg )x 2=2211122

mv mv 代入数据解得：x 2=77.75m 所以轨道长度L =x 1+x 2=93.75m

9．雨滴落到地面的速度通常仅为几米每秒，这与雨滴下落过程中受到空气阻力有关，雨滴间无相互作用且雨滴质量不变，重力加速度为g ；

（1）质量为m 的雨滴由静止开始，下落高度h 时速度为u ，求这一过程中空气阻力所做的功W ．

（2）研究小组同学观察发现，下雨时雨滴的速度跟雨滴大小有关，较大的雨滴落地速度较快，若将雨滴看作密度为ρ的球体，设其竖直落向地面的过程中所受空气阻力大小为f =kr 2v 2，其中v 是雨滴的速度，k 是比例常数，r 是球体半径．

a. 某次下雨时，研究小组成员测得雨滴落地时的速度约为v 0，试计算本场雨中雨滴半径r 的大小；

b. 如果不受空气阻力，雨滴自由落向地面时的速度会非常大，其v -t 图线如图所示，请在图中画出雨滴受空气阻力无初速下落的v -t 图线．

（3）为进一步研究这个问题，研究小组同学提出下述想法：

将空气中的气体分子看成是空间中均匀分布的、静止的弹性质点，将雨滴的下落看成是一个面积为S 的水平圆盘在上述弹性质点中竖直向下运动的过程．已知空气的密度为ρ0，试求出以速度v 运动的雨滴所受空气阻力f 的大小．（最后结果用本问中的字母表示）

【答案】（1）2

W mu mgh =- （2）2034kv r g πρ=，

（3）2

2f Sv ρ=

【解析】【详解】

（1）由动能定理：21

mgh W mu += 解得：2

W mu mgh =

- （2）a. 雨滴匀速运动时满足：3

043

r g kr v ρπ?=，

解得20

34kv r g

πρ=

b. 雨滴下落时，做加速度逐渐减小的加速运动，最后匀速下落，图像如图.

（3）设空气分子与圆盘发生弹性碰撞．

在极短时间?t 内，圆盘迎面碰上的气体质点总质量为：m S v t ρ?=??? 以F 表示圆盘对气体分子的作用力，对气体根据动量定理有：F·t ?＝?m·

2v 解得：2

2F Sv ρ=

由牛顿第三定律可知，圆盘所受空气阻力2

2F F Sv ρ=='

10．如图1所示是某游乐场的过山车，现将其简化为如图2所示的模型：倾角θ=37°、L =60cm 的直轨道AB 与半径R =10cm 的光滑圆弧轨道BCDEF 在B 处平滑连接，C 、F 为圆轨道最低点，D 点与圆心等高，E 为圆轨道最高点；圆轨道在F 点与水平轨道FG 平滑连接，整条轨道宽度不计，其正视图如图3所示．现将一质量m =50g 的滑块(可视为质点)从A 端由静止释放．已知滑块与AB 段的动摩擦因数μ1=0.25，与FG 段的动摩擦因数μ2=0.5，sin37°=0.6，cos37°=0.8，重力加速度g =10m/s 2．

（1）求滑块到达E 点时对轨道的压力大小F N ；

（2）若要滑块能在水平轨道FG 上停下，求FG 长度的最小值x ；

（3）若改变释放滑块的位置，使滑块第一次运动到D 点时速度刚好为零，求滑块从释放到它第5次返回轨道AB 上离B 点最远时，它在AB 轨道上运动的总路程s ．【答案】（1）F N =0.1N （2）x =0.52m （3）93

m 160

s = 【解析】【详解】

（1）滑块从A 到E ，由动能定理得：

()]2

11sin 1cos 2cos 2

E mg L R R mgL mv θθμθ?+---=

? 代入数据得：30

m/s 5

E v =

滑块到达E 点：2N E

v mg F m R

+= 代入已知得：F N =0.1N

（2）滑块从A 下滑到停在水平轨道FG 上，有

()12sin 1cos cos 0mg L R mgL mgx θθμθμ??+---=??

代入已知得：x =0.52m

（3）若从距B 点L 0处释放，则从释放到刚好运动到D 点过程有：

010sin +(1cos )]cos 0mg L R R mgL θθμθ---=[

代入数据解得：L 0=0.2m

从释放到第一次返回最高点过程，若在轨道AB 上上滑距离为L 1，则：

()()01101sin cos 0mg L L mg L L θμθ--+=

解得：11001sin cos

sin cos 2

L L L θμθθμθ-=

同理，第二次返回最高点过程，若在斜轨上上滑距离为L 2，有：

121101sin cos 11sin cos 22L L L L θμθθμθ-??

=== ?+??

故第5次返回最高点过程，若在斜轨上上滑距离为L 5，有： 5

5012L L ??= ???

所以第5次返回轨道AB 上离B 点最远时，它在AB 轨道上运动的总路程

012345932222m 160

L L L L L L s =+++++=

11．如图所示，光滑轨道槽ABCD 与粗糙轨道槽GH 通过光滑圆轨道EF 平滑连接(D 、G 处在同一高度)，组成一套完整的轨道，整个装置位于竖直平面内。现将一质量m =1kg 的小球从AB 段距地面高h 0=2m 处静止释放，小球滑上右边斜面轨道并能通过轨道的最高点E 点。已知CD 、GH 与水平面的夹角为θ=37°，GH 段的动摩擦因数为μ=0.25，圆轨道的半径R ＝0.4m ，E 点离水平面的竖直高度为3R （E 点为轨道的最高点），（g=10m/s 2，sin37°=0.6，cos37°=0.8）求：

（1）小球第一次通过E 点时的速度大小；

（2）小球沿GH 段向上滑行后距离地面的最大高度；

（3）若小球从AB 段离地面h 处自由释放后，小球又能沿原路径返回AB 段，试求h 的取值范围。

【答案】（1）4m/s （2）1.62m ；（3）h≤0.8m 或h≥2.32m 【解析】【详解】

（1）小球从A 点到E 点由机械能守恒定律可得：()20132

E mg h R mv -= 解得：4m/s E v =

（2）D 、G 离地面的高度122cos370.48o

h R R m =-=

设小球在CH 斜面上滑的最大高度为h m ，则小球从A 点滑至最高点的过程，

由动能定理得()1

0cos370sin37

m m h h mg h h mg μ?

---= 由以上各式并代入数据 1.62m h m =

（3）①小球要沿原路径返回，若未能完成圆周运动，则20.8h R m ≤=

②若能完成圆周运动，则小球返回时必须能经过圆轨道的最高点E ，在E 点，2m E

v mg R

此情况对应小球在CH 斜面上升的高度为h '，小球从释放位置滑至最高点的过程，根据动

能定理得：()1

cos370sin37h h mg h h mg μ?

---?

=' 小球从最高点返回E 点的过程，根据动能定理得：

()2

113cos37sin372

E h h mg h R mg mv μ?'---??

=' 由以上各式得h =2.32m

故小球沿原路径返回的条件为h ≤0.8m 或h ≥2.32m

12．如图所示，一质量M =4kg 的小车静置于光滑水平地面上，左侧用固定在地面上的销钉挡住。小车上表面由光滑圆弧轨道BC 和水平粗糙轨道CD 组成，BC 与CD 相切于C ，圆弧BC 所对圆心角θ＝37°，圆弧半径R =2.25m ，滑动摩擦因数μ=0.48。质量m =1kg 的小物块从某一高度处的A 点以v 0＝4m/s 的速度水平抛出，恰好沿切线方向自B 点进入圆弧轨道，最终与小车保持相对静止。取g ＝10m/s 2，sin37°=0.6，忽略空气阻力，求:

（1）A 、B 间的水平距离；

（2）物块通过C 点时，轨道对物体的支持力；（3）物块与小车因摩擦产生的热量。【答案】（1）1.2m （2）25.1N F N =（3）13.6J 【解析】【详解】

（1）物块从A 到B 由平抛运动的规律得: tan θ=

gt v x = v 0t 得x =1.2m

（2）物块在B 点时，由平抛运动的规律得：0

cos B v v θ

物块在小车上BC 段滑动过程中，由动能定理得： mgR (1－cos θ)＝

12mv C 2－1

mv B 2

在C 点对滑块由牛顿第二定律得 2C

N v F mg m R

-= 联立以上各式解得：25.1N F N =

（3）根据牛顿第二定律，对滑块有μmg ＝ma 1，对小车有μmg ＝Ma 2

当滑块相对小车静止时，两者速度相等，即 v C －a 1t 1＝a 2t 1 由以上各式解得 134

t s =

，此时小车的速度为v ＝a 2t 134

/s 物块在CD 段滑动过程中由能量守恒定律得：12mv C 2＝1

（M ＋m ）v 2 + Q 解得：Q =13.6J