高中 | 研究自由落体运动的规律 题目答案及解析

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必修1

第二章 匀变速直线运动的研究

2.5 自由落体运动

研究自由落体运动的规律

如图所示,在水平地面上有一圆弧形凹槽$ABC$$AC$连线与地面相平,凹槽$ABC$是位于竖直平面内以$O$为圆心、半径为$R$的一段圆弧,$B$为圆弧最低点,而且$AB$段光滑,$BC$段粗糙。现有一质量为$m$的小球(可视为质点),从水平地面上$P$处以初速度$v_{0}$斜向右上方飞出,$v_{0}$与水平地面夹角为$\theta$,不计空气阻力,该小球恰好能从$A$点沿圆弧的切线方向进入轨道,沿圆弧$ABC$继续运动后从$C$点以速率$\dfrac{v_{0}}{2}$飞出。重力加速度为$g$,则下列说法中正确的是$(\qquad)$

["

小球由$P$$A$的过程中,离地面的最大高度为$\\dfrac{v_{0}^{2}\\sin^{2}\\theta}{g}$

","

小球进入$A$点时重力的瞬时功率为$mgv_{0}$

","

小球在圆弧形轨道内由于摩擦产生的热量为$\\dfrac{3mv_{0}^{2}}{8}$

","

小球经过圆弧形轨道最低点$B$处受到轨道的支持力大小为$mg\\left( 3-2\\cos\\theta \\right)+\\dfrac{mv_{0}^{2}}{R}$

"]
[["CD"]]

$\rm A$.小球从$P$处向斜上方飞出时,竖直方向的分速度大小为$v_{y}=v_{0}\sin \theta$

小球由$P$$A$的过程中,在竖直方向做竖直上抛运动,设其离地面的最大高度为$H$,则有$2gH=v_{y}^{2}$

解得$H=\dfrac{v_{0}^{2}\sin^{2}\theta}{2g}$,故$\rm A$错误;

$\rm B$.小球进入$A$点时,竖直方向的分速度大小为$v_{y}=v_{0}\sin \theta$

所以重力的瞬时功率为$P=mgv_{y}=mgv_{0}\sin \theta$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.设小球在圆弧形轨道内由于摩擦产生的热量为$Q$,从$P$$C$的过程,根据能量守恒,有$\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{v_{0}}{2} \right)^{2}+Q$

解得$Q=\dfrac{3}{8}mv_{0}^{2}$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.设小球经过圆弧形轨道最低点$B$处时速度大小为$v_{B}$,小球受到轨道的支持力大小为$F_{N}$,根据向心力公式有$F_{{N}}-mg=\dfrac{mv_{B}^{2}}{R}$

$A$$B$的过程,小球下降的高度为$h=R(1 − \cos \theta)$

根据机械能守恒,有$\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}+mgh=\dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

解得$F_{{N}}=mg\left( 3-2\cos\theta \right)+\dfrac{mv_{0}^{2}}{R}$,故$\rm D$正确。

故选:$\rm CD$

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