题目内容

14.气球以4m/s的速度匀速上升,当它上升到217m高处时,质量m=2kg的光滑铁球由气球里掉落,则小球要经过多长时间才能落回地面?此过程重力对小球做了多少功?(不计空气阻力)

分析 重物了开气球后在重力作用下做匀变速度直线运动,已知加速度为重力加速度、初速度和位移求重物做匀变速直线运动的时间;根据功的公式可求得重力所做的功.

解答 解:重物离开气球后在重力作用下做匀变速直线运动,取竖直向上为正方向,则重物做匀变速直线运动的初速度为v0=4m/s,重力加速度竖直向下故a=-g=-10m/s2,重物落回地面时的位移x=-217m.求重物运动的时间t和落回地面的末速度v.
根据匀变速直线运动的位移时间关系有:
x=v0t+$\frac{1}{2}$at2
代入数据x=-217m,v0=4m/s,a=-10m/s2
解得:t=7s;
重力做功与路径无关;
W=mgh=20×217=4340J
答:小球要经过7s时间才能落回地面;此过程重力对小球做了4340J的功

点评 本题抓住重物离开气球后做匀变速直线运动,初速度为0,不能直当自由落体计算重物的运动,这是本题容易出错的地方.

练习册系列答案
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2.用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律.实验所用的电源为学生电源,输出电压为6V的交流电和直流电两种.重锤从高处由静止开始下落,重锤上拖着的纸带打出一系列的点,对纸带的点痕进行测量,即可验证机械能守恒定律.

(1)下面列举了该实验的几个操作步骤:
A.按照图示的装置安装器件;
B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上;
C.用天平测出重锤的质量;
D.释放悬挂纸带的夹子,同时接通电源开关打出一条纸带;
E.测量纸带上某些点间的距离;
F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能.
其中没有必要进行的或者操作不当的步骤,将其选项对应的字母填在下面的空行内,并说明其原因.
步骤B是错误的.理由是打点计时器使用的是交流电源;
步骤C是错误的.理由是在“验证机械能守恒定律”的实验中,因为我们是比较mgh、$\frac{1}{2}$mv2的大小关系,故m可约去比较,不需要用天平;
步骤D是错误的.理由是应先接通打点计时器电源后释放重物,由于重物运动较快,可能会使打出来的点很少,不利于数据的采集和处理.
(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值.如图2所示,根据打出的纸带,选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E,测出A距起始点O的距离为s0,点AC间的距离为s1,点CE间的距离为s2,使用交流电的频率为f,根据这些条件计算:AE间所用的时间为$\frac{4}{f}$设O点处的重力势能为0,OA段的重力势能EP为mgs0;C点的速度为$\frac{{{f(s}_{1}+s}_{2})}{4}$;C点的动能Ek为$\frac{{{mf}^{2}({{s}_{1}+s}_{2})}^{2}}{32}$;如果在实验误差范围内,EP=Ek,说明了OC过程重物的机械能守恒.

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