高中 | 动能定理解决曲线问题 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理解决曲线问题

如图所示,一半径为$R$、粗糙程度处处相同的半圆形轨道竖直固定放置,直径$POQ$水平。一质量为$m$的质点从$P$点上方高为$R$处由静止开始下落,恰好从$P$点进入轨道。质点滑到轨道最低点$N$时,对轨道的压力为$4mg$$g$为重力加速度的大小。用$W$表示质点从$P$点运动到$N$点的过程中克服摩擦力所做的功,则$(\qquad)$

["

$W= \\dfrac{1}{2}mgR$,质点恰好可以到达$Q$

","

$W= \\dfrac{1}{2}mgR$,质点不能到达$Q$

","

$W= \\dfrac{1}{2}mgR$,质点到达$Q$点后,继续上升一段距离

","

$W\\lt \\dfrac{1}{2}mgR$,质点到达$Q$点后,继续上升一段距离

"]
[["C"]]

$N$点时对质点受力分析,根据牛顿第二定律得$F_{N}-mg=\dfrac{mv^{2}}{R}$

解得$v= \sqrt{3gR}$

则从开始下落到$N$点过程,根据动能定理可得$mg \cdot 2R-W=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

解得$W= \dfrac{1}{2}mgR$

由于摩擦力做负功,故质点在半圆轨道上相同高度时在$NQ$上的速度小于在$PN$上的速度,所以质点对轨道的压力也较小,那么摩擦力也较小,所以质点从$N$$Q$克服摩擦力做的功$W'\lt W= \dfrac{1}{2}mgR$

从开始下落到$Q$点过程中有动能定理$E_{{\rm k}Q}=mgR-W-W'\gt0$

可知质点到达$Q$后,继续上升一段距离,故$\rm C$正确,$\rm ABD$错误。

故选:$\rm C$

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