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,质量$M=4\;\rm kg$的圆环套在光滑水平轨道上,质量$m=2\;\rm kg$的小球通过长$L=0.9\;\rm m$的轻绳与圆环连接。现将细绳拉直,且与$AB$平行,小球以竖直向下的$v_{0}=2\sqrt{6}\;\rm m/s$初速度开始运动,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$。则$(\qquad)$

["

运动过程中,小球和圆环系统的动量和机械能均守恒。

","

在运动过程中,小球能绕圆环做完整的圆周运动

","

小球通过最低点时,小球的速度大小为$\\sqrt{35}\\;\\rm \\text{m/s}$

","

从小球开始运动到小球运动到最高点这段时间内,圆环向左运动的位移大小为$0.3\\;\\rm m$

"]
[["B"]]

$\rm A$.分析小球和圆环组成的系统可知,水平方向上不受外力,所以系统水平方向动量守恒,但竖直方向合外力不为零,动量不守恒,只有重力做功,则系统机械能守恒,故$\rm A$错误;

$\rm B$.若小球运动到最高点时,圆环和小球的速度大小分别为$v_{3}$$v_{4}$,由水平方向动量守恒可知$Mv_{3}=mv_{4}$

由能量守恒可知$\dfrac{1}{2}m{v_{0}}^{2}=\dfrac{1}{2}M{v_{3}}^{2}+\dfrac{1}{2}m{v_{4}}^{2}+mgL$

解得速度大小为$v_{3}=1\;\rm m/s$$v_{4}=2\;\rm m/s$

小球相对圆环的速度恰好为$v'=v_{3}-(-v_{4})=3\;\text{m/s}=\sqrt{gL}$

所以小球可以绕圆环做完整的圆周运动,故$\rm B$正确;

$\rm C$.从开始运动到小球运动到最低点时,圆环和小球的速度大小分别为$v_{1}$$v_{2}$,由水平方向动量守恒可知$Mv_{1}=mv_{2}$

由能量守恒可知$mgL+\dfrac{1}{2}m{v_{0}}^{2}=\dfrac{1}{2}M{v_{1}}^{2}+\dfrac{1}{2}m{v_{2}}^{2}$

代入数据解得小球的速度大小为$v_{2}=2\sqrt{7}\;\rm \text{m/s}$

$\rm C$错误;

$\rm D$.小球从开始到运动到最高点的过程中,圆环向右运动的位移为$x$,则$Mx=m(L-x)$

解得$x=\dfrac{m}{M+m}L=0.3\;\rm \text{m}$

$\rm D$错误。

故选:$\rm B$

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