题目内容

3.如图所示,竖直面内的半圆形轨道与光滑水平面在B点相切,半圆形轨道的半径为R,一个质量为m的物体将弹簧压缩至A点后静止释放,物体脱离弹簧时获得某一向右的速度,当它经过B点进入轨道的瞬间对轨道的压力为其中立的8倍,之后向上运动恰能达到最高点C,轨道上的D点于圆心O登高,不计空气阻力,则下列说法正确的是(  )
A.物体在A点时弹簧的弹性势能为3mgR
B.物体从B点运动至D点的过程中产生的内能为$\frac{1}{2}$mgR
C.物体从B点运动至C点的过程中产生的内能为mgR
D.物体从A点运动至C点的过程中机械能守恒

分析 研究物体经过B点的状态,根据牛顿运动定律求出物体经过B点的速度,得到物体的动能,物体从A点至B点的过程中遵守机械能守恒定律,弹簧的弹性势能等于物体经B点的动能;物体恰好到达C点时,由重力充当向心力,由牛顿第二定律求出C点的速度,物体从B到C的过程,运用能量守恒定律求解物体从B点运动至C点的过程中产生的内能,再分析从B点运动至D点的过程中产生的内能.结合机械能守恒的条件分析物体从A点运动至C点的过程中机械能是否守恒.

解答 解:A、设物体在A点时弹簧的弹性势能为Ep,物体经过B点时的速度为vB,轨道对物体的支持力为N,物体对轨道的压力为N′由题意知有:N′=8mg
在B点,由牛顿第二定律得:N-mg=m$\frac{{v}_{B}^{2}}{R}$
由牛顿第三定律得:N=N′
由机械能守恒得:Ep=$\frac{1}{2}$mvB2,
解得:Ep=3.5mgR.故A错误.
BC、设物体从B点运动至C点的过程中产生的内能为Q,在C点速度为vC.
物体恰到达C点,重力提供向心力,有:mg=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$
由能量守恒定律得:$\frac{1}{2}$mvC2+2mgR+Wf=$\frac{1}{2}$mvB2,
解得产生的内能 Q=mgR.
物体从B点运动至D点的过程中做减速运动,物体在BD段受到的轨道的支持力比DC段的大,受到的滑动摩擦力也比CD段的大,根据功能关系知,BD段产生的内能大于CD段产生的内能,所以物体从B点运动至D点的过程中产生的内能大于$\frac{1}{2}$mgR.故B错误,C正确.
D、物体从A点运动至C点的过程中,有弹簧的弹力和摩擦力做功,其机械能不守恒,故D错误.
故选:C.

点评 题的解题关键是分析圆周运动向心力的来源,根据牛顿第二定律求出物体经过B、C两点的速度,再结合功能进行研究.

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