题目内容

5.如图所示,质量m的小环串在固定的粗糙竖直长杆上,从离地h高处以一定初速度向上运动,运动过程中与长杆之间存在大小$\frac{mg}{2}$的滑动摩擦力.小环能达到的最大高度为3h,求:
(1)小环从h高处出发至第二次经过2h高处过程中,重力做功和摩擦力做功分别为多少?
(2)在高中我们定义“由相互作用的物体的相对位置决定的能量”叫势能,如相互吸引的物体和地球,其相对位置关系决定重力势能.对比(1)问中两力做功,说明为什么不存在与摩擦力对应的“摩擦力势能”的概念.
(3)以地面为零势能面.从出发至小环落地前,小环的机械能E随路程s的变化关系是什么?

分析 (1)重力和摩擦力都是恒力,根据功的计算公式求解.
(2)重力做功与路径无关,仅与初末位置有关.势能的变化与初末位置有关.
(3)根据功能关系分析小环的机械能E随路程s的变化关系.

解答 解:(1)重力做功为 WG=-mgh
摩擦力做功 Wf=-fs=-$\frac{mg}{2}$•3h=-$\frac{3}{2}$mgh                                 
(2)重力做功与路径无关,仅与初末位置有关.势能的变化与初末位置有关.两者都与位置有关,所以重力有对应的重力势能.摩擦力做功与路径有关,所以不存在与摩擦力对应的“摩擦力势能”.                                                
(3)若以地面为零势面,小环初始势能为mgh,初始动能为3mgh
故初始机械能为4mgh
故从出发到落地前,通过路程s,克服摩擦力所做的功为$\frac{1}{2}mgs$
机械能变化的表达式为:E=4mgh-$\frac{1}{2}mgs$    
答:
(1)小环从h高处出发至第二次经过2h高处过程中,重力做功和摩擦力做功分别为-mgh和-$\frac{3}{2}$mgh.
(2)重力做功与路径无关,仅与初末位置有关.势能的变化与初末位置有关.两者都与位置有关,所以重力有对应的重力势能.摩擦力做功与路径有关,所以不存在与摩擦力对应的“摩擦力势能”.                                                
(3)小环的机械能E随路程s的变化关系是E=4mgh-$\frac{1}{2}mgs$.

点评 解决本题的关键要掌握恒力做功公式W=Flcosθ,明确功能关系,知道除重力以外其他力做功等于机械能的变化.

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