高中 | 能量守恒定律 题目答案及解析

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选修3-3

第十章 热力学定律

10.3 热力学第一定律 能量守恒定律

能量守恒定律

如图所示,倾角为$\theta$的固定斜面,其顶端固定一劲度系数为$k$的轻质弹簧,弹簧处于原长时下端位于$O$点。质量为$m$的滑块$Q$(视为质点)与斜面间的动摩擦因数$\mu =\tan \theta$。过程Ⅰ:$Q$以速度$v_{0}$从斜面底端$P$点沿斜面向上运动恰好能滑至$O$点;过程Ⅱ:将$Q$连接在弹簧的下端并拉至$P$点由静止释放,$Q$通过$M$点(图中未画出)时速度最大,过$O$点后能继续上滑。弹簧始终在弹性限度内,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,忽略空气阻力,重力加速度为$g$。则$(\qquad)$

["

$P$$M$两点之间的距离为$\\dfrac{kv_{0}^{2}-4mg^{2}\\sin^{2}\\theta}{4kg\\sin\\theta}$

","

过程Ⅱ中,$Q$在从$P$点单向运动到$O$点的过程中损失的机械能为$\\dfrac{1}{4}mv_{0}^{2}$

","

过程Ⅱ中,$Q$$P$点沿斜面向上运动的最大位移为$\\dfrac{kv_{0}^{2}-8mg^{2}\\sin^{2}\\theta}{2 kg\\sin\\theta}$

","

连接在弹簧下端的$Q$无论从斜面上何处释放,最终一定静止在$OM$(含$O$$M$点)之间

"]
[["BCD"]]

$\rm A$.设$PO$的距离为$L$,过程$I$,根据动能定理有$- mg\sin\theta \cdot L-\mu mg\cos\theta \cdot L=0-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

$MO$的距离为$L_{1}$,过程Ⅱ中,当$Q$速度最大时,根据平衡条件$kL_{1}=mg\sin \theta+\mu mg\cos \theta$

$P$$M$两点之间的距离$L_{2}=L − L_{1}$

联立可得$kL_{2}=\dfrac{kv_{0}^{2}-4mg^{2}\sin^{2}\theta}{2kg\sin\theta}$

$\rm A$错误;

$\rm B$.根据功能关系,可知过程Ⅱ中,$Q$在从$P$点单向运动到$O$点的过程中损失的机械能$\Delta E=\mu mg\cos \theta ⋅ L$

结合$- mg\sin\theta \cdot L-\mu mg\cos\theta \cdot L=0-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

可得$\Delta E=\dfrac{1}{4}mv_{0}^{2}$

$\rm B$正确;

$\rm C$.设过程Ⅱ中,$Q$$P$点沿斜面向上运动的最大位移$x$,根据能量守恒定律$\dfrac{1}{2}kL^{2}=mg\sin\theta \cdot x+\mu mg\cos\theta \cdot x+\dfrac{1}{2}k{(x-L)}^{2}$

结合$- mg\sin\theta \cdot L-\mu mg\cos\theta \cdot L=0-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

解得$x=\dfrac{kv_{0}^{2}-8mg^{2}\sin^{2}\theta}{2kg\sin\theta}$

$\rm C$正确;

$\rm D$.无论$Q$从何处释放,$Q$在斜面上运动过程中,弹簧与$Q$初始时的势能变为摩擦热,当在$M$点时,满足$kL_{1}=mg\sin \theta+\mu mg\cos \theta$

当在$O$点时,满足$mg\sin \theta=\mu mg\cos \theta$

所以在$OM$(含$O$$M$点)之间速度为零时,$Q$将静止,故$\rm D$正确。

故选:$\rm BCD$

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