题目
如图所示,质量为3m、半径为R的光滑圆弧形槽静止在光滑水平面上,质量为m的小钢球从槽的顶端A处静止释放,不计一切阻力,重力加速度为g,在此后的过程中,下列说法正确的是( )A. 小钢球和圆弧形槽组成的系统动量不守恒B. 小钢球运动到圆弧槽B处时速度为sqrt(2gR)C. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此圆弧槽的对地位移大小可能为(1)/(4)RD. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此小钢球的对地位移大小可能为(5)/(4)R
如图所示,质量为3m、半径为R的光滑圆弧形槽静止在光滑水平面上,质量为m的小钢球从槽的顶端A处静止释放,不计一切阻力,重力加速度为g,在此后的过程中,下列说法正确的是( )- A. 小钢球和圆弧形槽组成的系统动量不守恒
- B. 小钢球运动到圆弧槽B处时速度为$\sqrt{2gR}$
- C. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此圆弧槽的对地位移大小可能为$\frac{1}{4}R$
- D. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此小钢球的对地位移大小可能为$\frac{5}{4}R$
题目解答
答案
ACD
A. 小钢球和圆弧形槽组成的系统动量不守恒
C. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此圆弧槽的对地位移大小可能为$\frac{1}{4}R$
D. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此小钢球的对地位移大小可能为$\frac{5}{4}R$
A. 小钢球和圆弧形槽组成的系统动量不守恒
C. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此圆弧槽的对地位移大小可能为$\frac{1}{4}R$
D. 小钢球运动到圆弧槽B处时,此小钢球的对地位移大小可能为$\frac{5}{4}R$
解析
步骤 1:分析系统动量守恒情况
小钢球和圆弧形槽组成的系统在水平方向上不受外力,因此水平方向动量守恒。但在竖直方向上,系统受到重力作用,因此竖直方向动量不守恒。所以,整个系统动量不守恒。
步骤 2:计算小钢球运动到圆弧槽B处时的速度
设小钢球运动到圆弧槽B处时速度为$v_1$,光滑圆弧形槽的速度大小为$v_2$,取向右为正方向,根据水平方向动量守恒定律可得:$0=mv_1-3mv_2$。根据机械能守恒定律可得:$mgR=\frac{1}{2}mv_1^{2}+\frac{1}{2}×3mv_2^{2}$。联立解得:$v_1=3\sqrt{\frac{gR}{5}}$,$v_2=\sqrt{\frac{gR}{5}}$。
步骤 3:计算小钢球和圆弧槽的对地位移
设小钢球运动到圆弧槽B处时小钢球水平位移大小为$x_1$,圆弧槽的对地位移大小为$x_2$,根据“人船模型”可得:$mx_1=3mx_2$。根据几何关系可得:$x_1+x_2=R$。联立解得:$x_1=\frac{3}{4}R$,$x_2=\frac{1}{4}R$。此时小钢球的对地位移大小为:$x=\sqrt{R^{2}+(\frac{3}{4}R)^{2}}=\frac{5}{4}R$。
小钢球和圆弧形槽组成的系统在水平方向上不受外力,因此水平方向动量守恒。但在竖直方向上,系统受到重力作用,因此竖直方向动量不守恒。所以,整个系统动量不守恒。
步骤 2:计算小钢球运动到圆弧槽B处时的速度
设小钢球运动到圆弧槽B处时速度为$v_1$,光滑圆弧形槽的速度大小为$v_2$,取向右为正方向,根据水平方向动量守恒定律可得:$0=mv_1-3mv_2$。根据机械能守恒定律可得:$mgR=\frac{1}{2}mv_1^{2}+\frac{1}{2}×3mv_2^{2}$。联立解得:$v_1=3\sqrt{\frac{gR}{5}}$,$v_2=\sqrt{\frac{gR}{5}}$。
步骤 3:计算小钢球和圆弧槽的对地位移
设小钢球运动到圆弧槽B处时小钢球水平位移大小为$x_1$,圆弧槽的对地位移大小为$x_2$,根据“人船模型”可得:$mx_1=3mx_2$。根据几何关系可得:$x_1+x_2=R$。联立解得:$x_1=\frac{3}{4}R$,$x_2=\frac{1}{4}R$。此时小钢球的对地位移大小为:$x=\sqrt{R^{2}+(\frac{3}{4}R)^{2}}=\frac{5}{4}R$。