题目内容

14.如图所示,在竖直平面内建立直角坐标系xOy,该平面内有AM、BM、CM三条光滑固定轨道,其中A、C两点处于同一个圆上,C是圆上任意一点,A、M分别为此圆与y、x轴的切点.B点在y轴上且∠BMO=60°,O′为圆心.现将a、b、c三个小球分别从A、B、C点同时由静止释放,它们将沿轨道运动到M点,如所用时间分别为tA、tB、tC,则tA、tB、tC大小关系是(  )
A.tA<tC<tB
B.tA=tC=tB
C.tA=tC<tB
D.由于C点的位置不确定,无法比较时间大小关系

分析 根据几何关系分别求出各个轨道的位移,根据牛顿第二定律求出加速度,再根据匀变速直线运动的位移时间公式求出运动的时间,从而比较出到达M点的先后顺序.

解答 解:设⊙O′的半径为R,根据几何知识可知,OA=OM=R,
由勾股定理得,AM=$\sqrt{O{A}^{2}+O{M}^{2}}$=$\sqrt{2}$R,
即小球沿AM运动的位移xA=$\sqrt{2}$R,
由牛顿第二定律得,mgsin45°=maA,
解得:aA=$\frac{\sqrt{2}}{2}$g,
由x=$\frac{1}{2}$at2得,小球沿AM运动的时间:
tA=$\sqrt{\frac{2{x}_{A}}{{a}_{A}}}$=$\sqrt{\frac{4R}{g}}$,
根据几何知识可知,BM=2OM=2R,
即小球沿BM运动的位移xB=2R,
由牛顿第二定律得,mgsin60°=maB,
解得:aB=$\frac{\sqrt{3}}{2}$g,
小球沿BM运动的时间:
tB=$\sqrt{\frac{2{x}_{B}}{{a}_{B}}}$=$\sqrt{\frac{8R}{\sqrt{3}g}}$,
设CM与x轴正向的夹角为θ,由几何关系可知,CM=2Rsinθ,
即小球沿CM运动的位移xC=2Rsinθ,
由牛顿第二定律得,mgsinθ=maC,
解得:aC=gsinθ,
小球沿CM运动的时间:
tC=$\sqrt{\frac{2{x}_{C}}{{a}_{C}}}$=$\sqrt{\frac{4R}{g}}$,
则tA、tB、tC大小关系是:tA=tC<tB.
故选:C.

点评 解决本题的关键充分利用几何关系得出每一段的位移,熟练运用牛顿第二定律和匀变速直线运动的位移时间公式即可正确解题,有一定的难度.

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