物理动能定理的综合应用练习题及解析

物理动能定理的综合应用练习题及解析一、高中物理精讲专题测试动能定理的综合应用1．由相同材料的细杆搭成的轨道如图所示，其中细杆AB 、BC 、CD 、DE 、EF ……长均为 1.5m L =，细杆OA 和其他细杆与水平面的夹角都为()37sin370.6,cos370.8β︒︒︒===，一个可看成质点的小环套在细杆OA 上从图中离轨道最低点的竖直高度 1.32m h =处由静止释放，小环与细杆的动摩擦因数都为0.2μ=，最大静摩擦力等于相同压力下的滑动摩擦力，在两细杆交接处都用短小曲杆相连，不计动能损失，使小环能顺利地经过，重力加速度g 取210m /s ，求： (1)小环在细杆OA 上运动的时间t ； (2)小环运动的总路程s ； (3)小环最终停止的位置。

【答案】(1)1s ；(2)8.25m ；(3)最终停在A 点 【解析】 【分析】 【详解】(1)因为sin cos mg mg βμβ＞，故小环不能静止在细杆上，小环下滑的加速度为2sin cos 4.4m/s mg mg a mβμβ-==设物体与A 点之间的距离为0L ，由几何关系可得0 2.2m sin37hL ︒== 设物体从静止运动到A 所用的时间为t ，由2012L at =，得 1s t =(2)从物体开始运动到最终停下的过程中，设总路程为s ，由动能定理得cos3700mgh mgs μ︒=－－代入数据解得s =8.25m(3)假设物体能依次到达B 点、D 点，由动能定理有201(sin37)cos37()2B mg h L mg L L mv μ︒︒+=－－ 解得20B v <说明小环到不了B 点，最终停在A 点处2．为了备战2022年北京冬奥会，一名滑雪运动员在倾角θ=30°的山坡滑道上进行训练，运动员及装备的总质量m=70 kg．滑道与水平地面平滑连接，如图所示．他从滑道上由静止开始匀加速下滑，经过t=5s到达坡底，滑下的路程 x=50 m．滑雪运动员到达坡底后又在水平面上滑行了一段距离后静止．运动员视为质点,重力加速度g=10m/s2，求：（1）滑雪运动员沿山坡下滑时的加速度大小a；（2）滑雪运动员沿山坡下滑过程中受到的阻力大小f；（3）滑雪运动员在全过程中克服阻力做的功W f．【答案】（1）4m/s2（2）f = 70N （3）1.75×104J【解析】【分析】（1）运动员沿山坡下滑时做初速度为零的匀加速直线运动，已知时间和位移，根据匀变速直线运动的位移时间公式求出下滑的加速度．（2）对运动员进行受力分析，根据牛顿第二定律求出下滑过程中受到的阻力大小．（3）对全过程，根据动能定理求滑雪运动员克服阻力做的功．【详解】（1）根据匀变速直线运动规律得：x=1at22解得：a=4m/s2（2）运动员受力如图，根据牛顿第二定律得：mgsinθ-f=ma解得：f=70N（3）全程应用动能定理，得：mgxsinθ-W f =0解得：W f =1.75×104J【点睛】解决本题的关键要掌握两种求功的方法，对于恒力可运用功的计算公式求．对于变力可根据动能定理求功．3．我国将于2022年举办冬奥会，跳台滑雪是其中最具观赏性的项目之一．如图1-所示，质量m＝60 kg的运动员从长直助滑道AB的A处由静止开始以加速度a＝3.6 m/s2匀加速滑下，到达助滑道末端B时速度v B＝24 m/s，A与B的竖直高度差H＝48 m．为了改变运动员的运动方向，在助滑道与起跳台之间用一段弯曲滑道衔接，其中最低点C处附近是一段以O为圆心的圆弧．助滑道末端B与滑道最低点C的高度差h＝5 m，运动员在B、C间运动时阻力做功W＝－1530 J，g取10 m/s2.(1)求运动员在AB段下滑时受到阻力F f的大小；(2)若运动员能够承受的最大压力为其所受重力的6倍，则C点所在圆弧的半径R至少应为多大？【答案】(1)144 N (2)12.5 m【解析】试题分析：（1）运动员在AB上做初速度为零的匀加速运动，设AB的长度为x，斜面的倾角为α，则有v B2=2ax根据牛顿第二定律得mgsinα﹣F f=ma 又sinα=H x由以上三式联立解得 F f=144N（2）设运动员到达C点时的速度为v C，在由B到达C的过程中，由动能定理有mgh+W=12mv C2-12mv B2设运动员在C点所受的支持力为F N，由牛顿第二定律得 F N﹣mg=m2 C v R由运动员能承受的最大压力为其所受重力的6倍，即有 F N=6mg 联立解得 R=12．5m考点：牛顿第二定律；动能定理【名师点睛】本题中运动员先做匀加速运动，后做圆周运动，是牛顿第二定律、运动学公式、动能定理和向心力的综合应用，要知道圆周运动向心力的来源，涉及力在空间的效果，可考虑动能定理．4．为了研究过山车的原理，某同学设计了如下模型：取一个与水平方向夹角为37°、长为L=2.5 m的粗糙倾斜轨道AB，通过水平轨道BC与半径为R=0.2 m的竖直圆轨道相连，出口为水平轨道DE，整个轨道除AB段以外都是光滑的。

其中AB与BC轨道以微小圆弧相接，如图所示。

一个质量m=2 kg小物块，当从A点以初速度v0=6 m/s沿倾斜轨道滑下，到达C 点时速度v C=4 m/s。

取g=10 m/s2，sin37°=0.60，cos37°=0.80。

（1）小物块到达C 点时，求圆轨道对小物块支持力的大小； （2）求小物块从A 到B 运动过程中，摩擦力对小物块所做的功；（3）小物块要能够到达竖直圆弧轨道的最高点，求沿倾斜轨道滑下时在A 点的最小初速度v A 。

【答案】(1) N =180 N (2) W f =−50 J (3) 30A v m/s 【解析】 【详解】（1）在C 点时，设圆轨道对小物块支持力的大小为N ，则：2c mv N mg R-= 解得 N =180 N（2）设A →B 过程中摩擦力对小物块所做的功为W f ，小物块A →B →C 的过程，有22011sin 3722f c mgL W mv mv ︒+=- 解得 W f =−50 J 。

（3）小物块要能够到达竖直圆弧轨道的最高点，设在最高点的速度最小为v m ，则：2mmv mg R= 小物块从A 到竖直圆弧轨道最高点的过程中，有22m A 11sin 37222f mgL W mgR mv mv ︒+-=- 解得A 30v =5．如图甲所示，带斜面的足够长木板P ，质量M =3kg 。

静止在水平地面上，其右侧靠竖直墙壁，倾斜面BC 与水平面AB 的夹角=37θ︒、两者平滑对接。

t =0时，质量m =1kg 、可视为质点的滑块Q 从顶点C 由静止开始下滑，图乙所示为Q 在0~6s 内的速率v 随时间t 变化的部分图线。

已知P 与Q 间的动摩擦因数是P 与地面间的动摩擦因数的5倍，sin37°=0.6，cos37°=0.8，g 取10m/s 2。

求：(1)木板P 与地面间的动摩擦因数； (2)t =8s 时，木板P 与滑块Q 的速度大小；(3)0~8s 内，滑块Q 与木板P 之间因摩擦而产生的热量。

【答案】(1)20.03μ=；(2)0.6m/s P Q v v ==；(3)54.72J Q ∆= 【解析】 【分析】 【详解】(1)0~2s 内，P 因墙壁存在而不动，Q 沿着BC 下滑，2s 末的速度为v 1＝10m/s ，设P 、Q 间动摩擦因数为μ1，P 与地面间的动摩擦因数为μ2； 对Q ，由v t -图像有21 4.8m/s a =由牛顿第二定律有11sin 37cos37mg mg ma μ︒-︒=联立求解得10.15μ=，120.035μμ==(2)2s 后，Q 滑到AB 上，因12()mg m M g μμ>+，故P 、Q 相对滑动，且Q 减速、P 加速，设加速度大小分别是a 2、a 3，Q 从B 滑动AB 上到P 、Q 共速所用的时间为t 0 对Q 有12mg ma μ=对P 有123()mg m M g Ma μμ-+=共速时12030v a t a t -=解得a 2=1.5m/s 2、a 3=0.1m/s 2、6t s =故在t ＝8s 时，P 和Q 共速30.6m /s p v a t ==(3)0~2s 内，根据v -t 图像中面积的含义，Q 在BC 上发生的位移x 1=9.6m2~8s 内，Q 发生的位移12030.6m 2Qv v x t +==P 发生的位移30 1.8m 2Pv x t == 0~8s 内，Q 与木板P 之间因摩擦而产生的热量11123cos37()Q mgx mg x x μμ∆=+-o代入数据得54.72J Q ∆=6．如图所示，光滑坡道顶端距水平面高度为h ，质量为m 的小物块A 从坡道顶端由静止滑下，进入水平面上的滑道时无机械能损失，为使A 制动，将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M 处的墙上，另一端恰位于滑道的末端O 点．已知在OM 段，物块A 与水平面间的动摩擦因数均为μ，其余各处的摩擦不计，重力加速度为g ，求：（1）物块速度滑到O 点时的速度大小；（2）弹簧为最大压缩量d 时的弹性势能 （设弹簧处于原长时弹性势能为零） （3）若物块A 能够被弹回到坡道上，则它能够上升的最大高度是多少？ 【答案】（12gh 2）mgh mgd μ-；（3）2h d μ- 【解析】 【分析】根据题意，明确各段的运动状态，清楚各力的做功情况，再根据功能关系和能量守恒定律分析具体问题． 【详解】（1）从顶端到O 点的过程中，由机械能守恒定律得：212mgh mv =解得：2v gh（2）在水平滑道上物块A 克服摩擦力所做的功为：W mgd μ=由能量守恒定律得：212P mv E mgd μ=+ 联立上式解得：P E mgh mgd μ=-（3）物块A 被弹回的过程中，克服摩擦力所做的功仍为；W mgd μ=由能量守恒定律得 ：P mgh E mgd μ'=-解得物块A 能够上升的最大高度为：2h h d μ'=-【点睛】考察功能关系和能量守恒定律的运用．7．一质量为m =0.1kg 的滑块(可视为质点)从倾角为θ=37°、长为L =6m 的固定租糙斜面顶端由静止释放，滑块运动到斜面底端时的速度大小为v ，所用的时间为t ．若让此滑块从斜面底端以速度v 滑上斜面，利滑块在斜面上上滑的时间为12t ．已知重力加速度g 取10m/s 2，sin37°=0.6，cos37°=0.8．求： (1)滑块通过斜面端时的速度大小v ；(2)滑块从斜而底端以速度v 滑上斜面又滑到底端时的动能．【答案】（1）；（2）1.2J 【解析】 【详解】解：(1)设滑块和斜面间的动摩擦因数为μ，滑块下滑时的加速度大小为1a ，滑块上滑时的加速度大小为2a ，由牛顿第二定律可得 滑块下滑时有1mgsin mgcos ma θμθ-= 滑块上滑时有2mgsin mgcos ma θμθ+= 由题意有122t v a t a == 联立解得μ=0.25则滑块在斜面上下滑时的加速度1a =4m/s 2，滑块上滑时的加速度大小2a =8m/s 2由运动学公式有212v a L =联立解得v =m/s(2)设滑块沿斜面上滑的最大位移为x ，则有222v a x =解得：x =3m则滑块从斜面底端上滑到下滑到斜面底端的过程中，由动能定理有：21cos 22k mg x E mv μθ-⋅=-解得：k E =1.2J8．在真空环境内探测微粒在重力场中能量的简化装置如图所示，P 是一个微粒源，能持续水平向右发射质量相同、初速度不同的微粒．高度为h 的探测屏AB 竖直放置，离P 点的水平距离为L ，上端A 与P 点的高度差也为h .(1)若微粒打在探测屏AB 的中点，求微粒在空中飞行的时间； (2)求能被屏探测到的微粒的初速度范围；(3)若打在探测屏A 、B 两点的微粒的动能相等，求L 与h 的关系． 【答案】3h g 42g g v h h≤≤22h 【解析】 【分析】 【详解】（1）若微粒打在探测屏AB 的中点，则有：32h =12gt 2， 解得：3h t g=（2）设打在B 点的微粒的初速度为V1，则有：L=V 1t 1，2h=12gt 12 得：14g v h=同理，打在A 点的微粒初速度为：22g v h= 所以微粒的初速度范围为：4g h ≤v≤2g h（3）打在A 和B 两点的动能一样，则有：12mv 22+mgh=12mv 12+2mgh 联立解得：2h9．质量为2kg 的物体，在竖直平面内高h = 1m 的光滑弧形轨道A 点，以v =4m/s 的初速度沿轨道滑下，并进入BC 轨道，如图所示。