题目内容

4.如图所示,水平面左侧固定有光滑斜面ABC,斜面与水平面平滑相连.水平面上D点置一小球,小球系一长为R的细线,细线另一端固定在D点正上方O点,水平面右侧E处有一竖直墙壁,小物块与水平面DE间动摩擦因数为μ,其余皆光滑.小物块从斜面上一定高度处由静止释放,滑到水平面与小球发生碰撞,碰后小球恰好能做完整的圆周运动,当小球与小物块发生第三次碰撞后恰能摆到与O点相平的位置.已知小物块与小球质量均为m且都可看成质点,小物块与小球及墙壁的碰撞都是弹性碰撞,下列说法正确的是(  )
A.小物块释放的高度为$\frac{5}{2}$RB.DE间的距离为$\frac{3R}{2μ}$
C.小物块在DE间运动的路程为$\frac{5R}{μ}$D.小物块与小球共发生4次碰撞

分析 小球恰好在竖直平面内做完整的圆周运动时,在最高点,由重力提供向心力,由此可求出小球通过最高点时的临界速度;小物块与小球质量相等,发生弹性碰撞后交换速度.对滑块从下滑到与小球碰撞过程运用动能定理列式,联立方程组求解小物块释放的高度.
根据小球与小物块发生第三次碰撞后恰能摆到与O点相平的位置,由动能定理求DE间的距离.
小物块与小球碰撞后,速度传递给小球,小球在竖直平面内做圆周运动,经过一圈后从左侧碰撞小物块,速度传递给物块,物块向右移动,碰撞挡板后返回,再次通过碰撞将速度传递给小球,小球顺时针转动一周,从右侧通过碰撞将速度传递给物块,物块向左移动,冲上斜面后返回,再次从左侧碰撞小球,完成一个周期的运动;此后不断重复这个过程,直到小球不能做完整的圆周运动为止.对整个过程,运用能量守恒定律列式,求出小物块在DE段通过的总路程,再求小物块与小球碰撞的次数.

解答 解:A、小球刚能完成一次完整的圆周运动时,设它到最高点的速度为v0,在最高点,仅有重力充当向心力,则有:
  mg=m$\frac{{v}_{0}^{2}}{R}$ 
在小物块B从h处运动到最低点的过程中,由动能定理可知:
   mgh=$\frac{1}{2}$mv2;
碰后小物块与小球交换速度,对小球由最低点到最高点过程,由机械能守恒定律可得:
  mg•2R+$\frac{1}{2}$mv02=$\frac{1}{2}$mv2
联立解得:v=$\sqrt{5gR}$,h=$\frac{5}{2}$R,故A正确.
B、小球与小物块发生第三次碰撞后恰能摆到与O点相平的位置,设第三次碰后小球的速度为v1.
由机械能守恒定律得 mgR=$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$,得 v1=$\sqrt{2gR}$
则第三次碰撞前小物体的速度大小等于v1=$\sqrt{2gR}$.
设DE间的距离为S.
对第二碰撞后到第三次碰撞前的过程,对小物块,由动能定理得-μmg•2S=$\frac{1}{2}$mv12-$\frac{1}{2}$mv2;
解得 S=$\frac{3R}{4μ}$,故B错误.
CD、设小物块在DE间运动的路程为S总,根据能量守恒定律,有 μmg•S总=mgh,解得 S总=$\frac{5R}{2μ}$
设小物块与小球共发生n次碰撞.
因为 $\frac{{S}_{总}}{S}$=$\frac{5}{3}$
所以小物块与小球共发生3次碰撞.故CD错误.
故选:A

点评 本题关键要明确物体的运动过程,以及知道摩擦产生的热量为:Q=f•△S,其中△S为总路程,同时要能结合能量守恒定律、牛顿第二定律、向心力公式进行研究.

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