高中 | 胡克定律 题目答案及解析

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必修1

第三章 相互作用

3.2 弹力

胡克定律

如图所示,挡板$P$固定在倾角为$30{}^\circ $的斜面左下端,斜面右上端$M$与半径为$R$的圆弧轨道$MN$连接,其圆心$O$在斜面的延长线上。$M$点有一光滑轻质小滑轮,$\angle MON=60{}^\circ $。质量均为$m$的小物块$B$$C$由一轻质弹簧拴接(弹簧平行于斜面),其中物块$C$紧靠在挡板$P$处,物块$B$用跨过滑轮的轻质细绳与一质量为$4m$、大小可忽略的小球$A$相连,初始时刻小球$A$锁定在$M$点,细绳与斜面平行,且恰好绷直而无张力,$B$$C$处于静止状态。某时刻解除对小球$A$的锁定,当小球$A$沿圆弧运动到最低点$N$时(物块$B$未到达$M$点),物块$C$对挡板的作用力恰好为$0$。已知重力加速度为$g$,不计一切摩擦,下列说法正确的是$(\qquad)$

 

["

弹簧的劲度系数为$\\dfrac{2mg}{R}$

","

小球$A$到达$N$点时的速度大小为$\\sqrt{\\dfrac{12}{19}gR}$

","

小球$A$到达$N$点时的速度大小为$\\sqrt{\\dfrac{8}{15}gR}$

","

小球$A$$M$运动到$N$的过程中,小球$A$和物块$B$的机械能之和一直在增大

"]
[["B"]]

$\text{A}$、设弹簧的劲度系数为$k$,初始时刻弹簧的压缩长度为${{x}_{1}}$,则$B$沿斜面方向受力平衡,则$mg\sin 30{}^\circ =k{{x}_{1}}$,小球$A$沿圆弧运动到最低点$N$时,物块$C$即将离开挡板时,设弹簧的拉伸长度为${{x}_{2}}$,则$C$沿斜面方向受力平衡,则$mg\sin 30{}^\circ =k{{x}_{2}}$,由几何知识可知,此时细线的长度变化为${{x}_{1}}+{{x}_{2}}=MN=R$,解得$k=\dfrac{mg}{R}$,故$\text{A}$错误;

$\text{BC}$、设小球$A$到达$N$点时的速度为$v$,对$v$进行分解,在沿绳子方向的速度$v'=v\cos 30{}^\circ $,由于沿绳子方向的速度处处相等,所以此时$B$的速度也为$v'$,对$A$$B$$C$和弹簧组成的系统,在整个过程中,只有重力和弹簧弹力做功,且$A$$M$$N$处,弹簧的形变量相同,故弹性势能不变,弹簧弹力做功为$0$,重力对$A$做正功,对$B$做负功,$A$$B$$C$和弹簧组成的系统机械能守恒,可知$4mgR(1-\cos 60{}^\circ )-mg({{x}_{1}}+{{x}_{2}})\sin 30{}^\circ =\dfrac{1}{2}4m{{v}^{2}}+\dfrac{1}{2}mv{{'}^{2}}$,解得$v=\sqrt{\dfrac{12}{19}gR}$,故$\text{B}$正确,$\text{C}$错误;

$\text{D}$、小球$A$$M$运动到$N$的过程中,$A$$B$$C$和弹簧组成的系统机械能守恒,则小球$A$和物块$B$的机械能之和与弹簧和$C$的能量之和不变,$C$一直处于静止状态,弹簧一开始处于压缩状态,之后变为原长,后开始拉伸,则弹性势能先减小受增大,故小球$A$和物块$B$的机械能之和先增大后减小,故$\text{D}$错误。

故选:$\text{B}$

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如图甲所示,倾角为的足够长的光滑斜面体放置在光滑水平面上,上端有垂直斜面的挡板,与斜面平行的轻弹簧上端固定在挡板上,下端连接质量为的物块(可视为质点)。现对斜面体施加一水平向右的推力,测得推力的大小随弹簧的形变量的变化规律如图乙所示(取弹簧伸长为正,压缩为负)。若弹簧始终在弹性限度内,重力加速度,,,则斜面体的质量和轻弹簧的劲度系数分别为 如图甲所示,轻弹簧竖直固定在水平面上,一质量为的小球,从弹簧上端某高度处自由下落(空气阻力可忽略),从它接触弹簧到弹簧压缩至最短的过程中(弹簧始终在弹性限度内),其速度和弹簧压缩量间的函数图像如图乙所示,其中为曲线的最高点,小球和弹簧接触瞬间机械能损失不计,取,则下列说法正确的是 某同学有三个小球、、,其中、小球的质量均为,小球的质量未知。他先将小球、穿在光滑的水平细杆上,中间通过原长为的轻弹簧相连,然后通过长度均为的轻绳,分别与球相连,如图所示,三球稳定后,均处于静止状态,此时两轻绳间的夹角恰为。该同学想利用三球之间力的关系算出球的质量,计算过程中发现弹簧劲度系数未知,于是想要根据胡克定律测出该弹簧的劲度系数,他设计了如图所示的装置测量弹簧的劲度系数,先将刻度尺(刻度在上端)竖直立在桌腿边缘靠近弹簧的位置,当只挂小球时,弹簧的指针指在刻度处,当同时挂小球、时,弹簧的指针指在刻度处。整个过程弹簧始终在弹性限度内,重力加速度为,求: 如图所示,物块放在台式测力计上,通过跨过定滑轮的轻绳与物块相连,下端与一轻质弹簧相连,弹簧的下端与地面接触(未拴接),整个系统处于平衡状态,此时台式测力计的示数为;已知,物块、间的水平距离,倾斜绳与水平方向的夹角(滑轮右侧绳竖直),物块与台式测力计间动摩擦因数,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,、和滑轮视为质点,不计滑轮质量和滑轮处摩擦,弹簧一直在弹性限度内,取(已知,,)。 物理学中,有很多描述物体、物质的性质或者“本领”的物理量。 胡克定律表明,一定条件下,弹簧发生形变时产生的弹力大小,与弹簧形变量和弹簧的劲度系数有关。(重力加速度、)
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