Bài tập tự luận Vật lý 10 - Bài 25: Động năng (Có đáp án)

Nội dung text: Bài tập tự luận Vật lý 10 - Bài 25: Động năng (Có đáp án)

1. BÀI TẬP TỰ LUẬN VẬT LÝ 10 BÀI 25: ĐỘNG NĂNG I. LÝ THUYẾT I. Động năng. 1. Định nghĩa: Động năng là dạng năng lượng của một vật có được do nó đang 2 chuyển động và được xác định theo công thức : Wđ = mv Với v: vận tốc của vật trong quá trình chuyển động ( m/s ) m: Khối lượng của vật ( kg ) Động năng có đơn vị là ( J ) 2. Tính chất: - Chỉ phụ thuộc độ lớn vận tốc, không phụ thuộc hướng vận tốc - Là đại lượng vô hướng, luôn có giá trị dương. - Mang tính tương đối. II. Định lý động năng Độ biến thiên động năng bằng công của các ngoại lực tác dụng vào vật, công này dương thì động năng của vật tăng, công này âm thì động năng của vật giảm. Trong đó: là động năng ban đầu của vật là động năng lúc sau của vật A là công của các ngoại lực tác dụng vào vật. II. BÀI TẬP TỰ LUẬN Câu 1: Vận động viên Hoàng Xuân Vinh bắn một viên đạn có khối lượng 100g bay ngang với vận tốc 300m/s xuyên qua tấm bia bằng gỗ dày 5cm. Sau khi xuyên qua bia gỗ thì đạn có vận tốc 100m/s. Tính lực cản của tấm bia gỗ tác dụng lên viên đạn. 1 1 Giải: Áp dụng định lý động năng: A F .s mv2 mv2 c 2 2 2 1 1 2 1 2 0,1 2 2 mv2 mv1 100 300 F 2 2 2 80000N F 80000N c s 0,05 c Câu 2: Trung Tâm Bồi Dưỡng Kiến Thức Thiên Thành tổ chức một cuộc thi cho các học viên chạy. Có một học viên có trọng lượng 700N chạy đều hết quãng đường 600m trong 50s. Tìm động năng của học viên đó. Lấy g = 10m/s2. Giải: Theo bài ra P = m.g = 700N m = 70kg s 600 1 1 Mà v 12m / s W m.v2 .70.122 5040 J t 50 d 2 2 Câu 3: Cho một vật có khối lượng 500g đang chuyển động với vận tốc ban đầu là 18km/h. Tác dụng của một lực F thì vật đạt vận tốc 36 km/h . Tìm công của lực tác dụng. Lấy g = 10m/s2. Giải: Ta có m = 0,5kg; v1 18km / h 5m / s; v2 36km / h 10m / s 1 1 1 1 W .m.v 2 .0,5.52 16,25J;W .m.v 2 .0,5.102 25J d1 2 1 2 d 2 2 2 2 Áp dụng định lý động năng A Wd 2 Wd1 25 16,25 8,75 J
2. Câu 4: Hai xe goong chở than có m2 = 3m1, cùng chuyển động trên 2 tuyến đường 1 ray song song nhau với Wđ1 = Wđ2. Nếu xe một giảm vận tốc đi 3m/s thì Wđ1 = 7 Wđ2. Tìm vận tốc v1, v2. 1 1 2 1 1 2 Giải: Theo bài ra ta có Wđ1 = Wđ2 m v . m v v 1,53v 7 2 1 1 7 2 2 2 2 1 Mặt khác nếu xe 1 giảm vận tốc đi 3m/s thì Wđ1 = Wđ2: m (v 3)2 m v2 3m (1,53v )2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 v1 = 0,82 m/s v2 = 1,25m/s hoặc v1= - 1,82 m/s ( loại ) Câu 5: Từ tầng dưới cùng của tòa nhà, một thang máy có khối lượng tổng cộng m = 1 tấn, đi lên tầng cao. a. Trên đoạn đường s1 = 5m đầu tiên, thang máy chuyển động nhanh dần và đạt vận tốc 5m/s. Tính công do động cơ thang máy thực hiện trên đoạn đường này. b. Trên đoạn đường s2 = 10m tiếp theo, thang máy chuyển động thẳng đều. Tính công suất của động cơ trên đoạn đường này. c. Trên đoạn đường s3 = 5m sau cùng, thang máy chuyển động chậm dần và dừng lại. Tính công của động cơ và lực trung bình do động cơ tác dụng lên thang máy trên đoạn đừng này. Lấy g = 10m/s2. Giải:   a, Ngoại lực tác dụng lên thang máy là trọng lực P và kéo F1 của động cơ thang   máy. Áp dụng định lý về động năng ta có: Wđ1 – Wđ0 = A A . F1 P1 2 2 m.v1 m.v0 Mà Wđ1 = ,Wđ0 = 0; A P.s m.g.s A 0 P 1 1 P1 2 2 1 Vì thang máy đi lên. m.v 2 1 A 1 m.g.s .1000.52 1000.10.5 62500J F1 1 2 2  b, Vì thang máy chuyển động đều, lực kéo F của động cơ cân bằng với trọng lực    2 P:F P 0. Công phát động A của động cơ có độ lớn bằng công cản A : 2 F2 P   A A với AP P.s2 m.g.s2 . F2 P AF2 = mgs2 do đó công suất của động cơ thang máy trên đoạn đường s2 là: AF2 m.g.s2 2 m.g.v2 m.g.v1  1000.10.5 50000 W 50 kW . t t 2   c, Ngoại lực tác dụng lên thang máy là trọng lực P và lực kéo F3 của động cơ. Áp dụng định lí động năng ta có: Wđ3 – Wđ2 = AF3 + Ap’ 2 2 m.v3 mv2 Mà Wđ3 = 0;Wđ2 = (v2 = v1 = 5m/s); Ap = - Ps3 = - mgs3 2 2
3. 2 m.v2 Công của động cơ trên đoạn đường s3 là: AF3 = mgs3 - = 37500J 2 Áp dụng công thức tính công ta tìm được lực trung bình do động cơ tác dụng lên AF3 37500 thang máy trên đoạn đường s3: F3 7500N s3 5 Bài Tập Tự Luyện: Câu 1: Một vật có khối lượng 2kg trượt qua A với vận tốc 2m/s xuống dốc nghiêng AB dài 2m, cao 1m. Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng 1 nghiêng là µ = . lấy g = 10ms-2. 3 a. Xác định công của trọng lực, công của lực ma sát thực hiện khi vật chuyển dời từ đỉnh dốc đến chân dốc. b. Xác định vận tốc của vật tại chân dốc B. c. Tại chân dốc B vật tiếp tục chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang BC dài 2m thì dừng lại. Xác định hệ số ma sát trên đoạn đường BC này. Câu 2: Một ô tô có khối lượng 2 tấn đang chuyển động trên đường thẳng nằm ngang AB dài 100m, khi qua A vận tốc ô tô là 10m/s và đến B vận tốc của ô tô là 20m/s. Biết độ lớn của lực kéo là 4000N. a. Tìm hệ số ma sát µ1 trên đoạn đường AB. b. Đến B thì động cơ tắt máy và lên dốc BC dài 40m nghiêng 30o so với mặt phẳng 1 ngang. Hệ số ma sát trên mặt dốc là µ2 = . Hỏi xe có lên đến đỉnh dốc C không?. 5 3 c. Nếu đến B với vận tốc trên, muốn xe lên dốc và dừng lại tại C thì phải tác dụng lên xe một lực có độ lớn thế nào? Câu 3: Một xe có khối lượng 2 tấn chuyển động trên đoạn AB nằm ngang với vận tốc không đổi 7,2km/h. Hệ số ma sát giữa xe và mặt đường là  0,2 , lấy g = 10m/s2. a. Tính lực kéo của động cơ. b. Đến điểm B thì xe tắt máy và xuống dốc BC nghiêng góc 30o so với phương ngang, bỏ qua ma sát. Biết vận tốc tại chân C là 72km/h. Tìm chiều dài dốc BC. c. Tại C xe tiếp tục chuyển động trên đoạn đường nằm ngang CD và đi thêm được 200m thì dừng lại. Tìm hệ số ma sát trên đoạn CD. Câu 4: Một vật đang đứng yên thì tác đụng một lực F không đổi làm vật bắt đầu chuyển động và đạt được vận tốc v sau khi đi được quãng đường s. Nếu tăng lực tác dụng lên 3 lần thì vận tốc v của nó là bao nhiêu khi đi cùng quãng đường s đó. Câu 5: Một ô tô có khối lượng 1 tấn chuyển động trên đường ngang khi qua A có vận tốc 18km/h và đến B cách A một khoảng là 100m với vận tốc 54km/h. a. Tính công mà lực kéo của động cơ đã thực hiện trên đoạn đường AB. b. Đến B tài xế tắt máy và xe tiếp tục xuống dốc nghiêng BC dài 100m, cao 60m. Tính vận tốc tại C. c. Đến C xe vẫn không nổ máy, tiếp tục leo lên dốc nghiêng CD hợp với mặt phẳng nằm ngang một góc 30o. Tính độ cao cực đại mà xe đạt được trên mặt phẳng nghiêng
4. này. Cho biết hệ số ma sát không thay đổi trong quá trình chuyển động của xe là µ = 0,1, lấy g = 10ms-2. Câu 6: Hai hạt có khối lượng m và 2m, có động lượng theo thứ tự là p và p/2 chuyển động theo hai phương vuông góc đến va chạm vào nhau. Sau va chạm hai hạt trao đổi động lượng cho nhau (hạt này có động lượng cũ của hạt kia). Tính nhiệt tỏa ra khi va chạm. Hướng dẫn giải: 1 3 Câu 1: a. Ta có sin ;cos 2 2 Công của trọng lực A P .s Psin .s mg sin .s P x   1 N A fms AP 2.10. .2 20 J 2  Công của lực ma sát Px A f .s N.s .mg cos .s fms ms  Py 1 3  Af .2.10. .2 20 J B P ms 3 2 b. Áp dụng định lý động năng A WdB WdA 1 1 1 1 A A mv2 mv2 20 20 .2v2 .2.22 v 2 m / s P fms 2 B 2 A 2 B 2 B 1 1 c. Áp dụng định lý động năng A W W A mv2 mv2 dC dB fms 2 C 2 B Công của lực ma sát A f .s N.s .mg.s/ .2.10.2 40 J fms ms 1 Dừng lại v 0 m / s 40 0 .2.22  0,1 C 2 Câu 2: a. Áp dụng định lý động năng 1 1 A W W A A mv2 mv2 dB dA F fms 2 B 2 A 5 Công của lực kéo AF F.s 4000.100 4.10 J Công của lực ma sát A f .s N.s .m.g.s .2000.10.100 .2.106 J fms ms 1 1 4.105 .2.106 .2000.202 .2000.102  0,05 2 2
5. b. Giả sử D là vị trí mà vật có vận tốc bằng không Áp dụng định lý động năng  A WdD WdB N C 1 1 A A mv2 mv2 P fms 2 D 2 B   f Px Công trọng lực của vật ms   0 4 A P .BD mg sin 30 .BD 10 .BD J  Py P x Công của lực ma sát B  P A f .BD N.BD .m.g cos 300.BD 2000.BD J fms ms 1 1 104.BD 2000.BD .2000.0 .2000.202 BD 33,333 m 2 2 BC BD Nên xe không lên được đỉnh dốc. c. Áp dụng định lý động năng 1 1 A W W A A A mv2 mv2 dC dB F P fms 2 C 2 B Công trọng lực của vật A P .BC mg sin 300.BC 104.40 4.105 J P x Công của lực ma sát A f .BC N.BC .m.g cos 300.BC 2000.40 8.104 J fms ms Công của lực kéo A F.BC F.40 J F 1 F.40 4.105 8.104 0 .2000.202 F 2000 N 2 Câu 3: a.Vì Xe chuyển động thẳng đều nên F fms N mg 0,2.2000.10 4000 N b. vC 72 km / h 20 m / s Áp dụng định lý động năng A W W  dC dB N B Công của trọng lực AP Px.BC Psin .BC mgsin .BC  1 P A 2000.10. .BC 104.BC J x P 2  Py 4 1 2 1 2  10 .BC .m.vC m.vB P 2 2 C  1 1 104.BC .2000.202 .2000.22 2 2 BC 39,6 m 1 1 c. Áp dụng định lý động năng A W W A mv2 mv2 dD dC fms 2 D 2 C Công của lực ma sát
6. A f .s N.s .mg.s/ .2000.10.200 .4.106 J fms ms 1 Dừng lại v 0 m / s 4.106 0 .2000.202  0,1 D 2 Câu 4: Áp dụng định lý động năng 2 2 2 2.F.s A= Fs = ½ mv2 – ½ mv1 = ½ mv v m ’ Khi F1 = 3F thì v = 3 .v Câu 5: a. Ta có vA 18 km / h 5 m / s ; vB 54 km / h 15 m / s Áp dụng định lý động năng 1 1 1 A mv2 mv2 A A m v2 v2 2 B 2 A F fms 2 B A Mà A f .s .N.s .m.g.s 0,1.1000.10.100 105 J fms ms 1 A .1000 152 52 105 2.105 J F 2 60 3 1002 602 4 b. Ta có sin ;cos 100 5 100 5 Áp dụng định lý động năng A WdC WdB 1 1 A A mv2 mv2 P fms 2 C 2 B Công của trọng lực   AP Px.BC Psin .BC mg sin .BC N B fms 3 A 1000.10. .100 6.105 J  P 5 Px Công của lực ma sát  Af fms.BC N.BC .mg cos .BC Py ms  4 C P A 0,1.1000.10. .100 8.104 J fms 5 1 1 6.105 8.104 .1000.v2 .1000.152 v 35,57 m / s 2 C 2 C c. Gọi E là vị trí mà xe có thể lên được vE 0 m / s
7. Áp dụng định lý động năng  A WdE WdC N D 1 A A mv2  P fms 2 C  f Px Công trọng lực của vật ms   0 P A Px.CE mg sin 30 .CE  y P C P 1  A 1000.10. .CE 5000.CE J P 2 Công của lực ma sát A f .CE N.CE .m.g cos 300.CE 500 3.CE J fms ms 1 2 5000.CE 500 3.CE .1000. 35,57 CE 107,8435 m 2 Câu 6 : Hạt có khối lượng m và động lượng p thì có động năng: 1 1 p2 W mv2 . d 2 2 m Hạt có khối lượng 2m và động lượng p/2 thì có động năng: 1 ( p / 2)2 1 p2 W . d 2 2m 16 m 9 p2 Động năng của hệ trước va chạm: W . 16 m 1 ( p / 2)2 1 p2 Sau va chạm hạt m có động lượng p/2, vậy có động năng: . 2 m 8 m 1 p2 1 p2 1 p2 1 p2 Hạt 2m có động lượng p, vậy có động năng: . 2 2m 4 m 2 2m 4 m 3 p2 Động năng của hệ sau va chạm: W’đ . 8 m 3 p2 Q = Wđ –W’đ = . 16 m