题目内容

14.一个半径为R的竖直固定的光滑圆环上套有一个质量为m的小球,一根轻弹簧上端固定在圆环的圆心处,下端固定在小球上,在圆环的最低处给小球水平向右的大小为$\sqrt{6Rg}$的初速度,此时圆环恰好对小球没有弹力,已知重力加速度为g,下列说法正确的是(  )
A.小球在圆环最低点时,弹簧的弹力大小为mg
B.小球在圆环最高点时圆环对小球的弹力大小为7mg
C.小球在圆环的最高点时弹簧的弹力比小球在最低点时的小
D.小球经过圆环的最高点的速度大小为$\sqrt{2gR}$

分析 对小球在最低点应用牛顿第二定律求得弹簧弹力,然后由机械能守恒求得在最高点的速度,在应用牛顿第二定律求得支持力.

解答 解:记弹簧弹力为F,圆环对小球的支持力为FN,小球在最低点的速度为v0,在最高点的速度为v;
A、小球在最低点时圆环恰好对小球没有弹力,那么小球只受弹簧弹力和重力作用,故由牛顿第二定律可得:$F-mg=\frac{m{{v}_{0}}^{2}}{R}=6mg$,
所以,小球在圆环最低点时,弹簧的弹力大小F=7mg,故A错误;
C、小球在圆环上,弹簧的长度始终为半径,故弹簧的形变量不变,那么,小球在圆环的最高点时弹簧的弹力等于小球在最低点时的,故C错误;
D、小球在圆环上运动时只有重力做功,故机械能守恒,故有:$\frac{1}{2}m{{v}_{0}}^{2}=2mgR+\frac{1}{2}m{v}^{2}$,所以,小球经过圆环的最高点的速度大小$v=\sqrt{{{v}_{0}}^{2}-4gR}=\sqrt{2gR}$,故D正确;
B、由牛顿第二定律可得:小球在最高点时的合外力为$\frac{m{v}^{2}}{R}=2mg$,那么,对小球进行受力分析可得:F+mg-FN=2mg,
所以,小球在圆环最高点时圆环对小球的弹力大小FN=6mg,故B错误;
故选:D.

点评 经典力学问题一般先对物体进行受力分析,求得合外力及运动过程做功情况,然后根据牛顿定律、动能定理及几何关系求解.

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