题目
如图所示,可视为质点的、质量为m的小球,在半径为R的竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动,下列有关说法中正确的是( ) A. 小球能够到达最高点时的最小速度为0 B. 小球能够通过最高点时的最小速度为sqrt(gR) C. 如果小球在最高点时的速度大小为2sqrt(gR),则此时小球对管道的内壁的作用力为3mg D. 如果小球在最低点时的速度大小为sqrt(5gR),则小球通过最低点时对管道的外壁的作用力为6mg
如图所示,可视为质点的、质量为m的小球,在半径为R的竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动,下列有关说法中正确的是( )- A. 小球能够到达最高点时的最小速度为0
- B. 小球能够通过最高点时的最小速度为$\sqrt{gR}$
- C. 如果小球在最高点时的速度大小为2$\sqrt{gR}$,则此时小球对管道的内壁的作用力为3mg
- D. 如果小球在最低点时的速度大小为$\sqrt{5gR}$,则小球通过最低点时对管道的外壁的作用力为6mg
题目解答
答案
AD
A. 小球能够到达最高点时的最小速度为0
D. 如果小球在最低点时的速度大小为$\sqrt{5gR}$,则小球通过最低点时对管道的外壁的作用力为6mg
A. 小球能够到达最高点时的最小速度为0
D. 如果小球在最低点时的速度大小为$\sqrt{5gR}$,则小球通过最低点时对管道的外壁的作用力为6mg
解析
步骤 1:分析小球在最高点的最小速度
小球在圆形管道内做圆周运动,由于管道内壁能支撑小球,因此小球能够到达最高点时的最小速度为0。选项A正确,选项B错误。
步骤 2:计算小球在最高点时对管道的作用力
设管道对小球的弹力大小为F,方向竖直向下。由牛顿第二定律得
mg+F=m$\frac{{v}^{2}}{R}$,v=2$\sqrt{gR}$,代入解得F=3mg>0,方向竖直向下,
根据牛顿第三定律得知:小球对管道的弹力方向竖直向上,即小球对管道的内壁有作用力,选项C错误。
步骤 3:计算小球在最低点时对管道的作用力
重力和支持力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律,有:N-mg=m$\frac{{v}^{2}}{R}$,
解得:N=mg+m$\frac{{v}^{2}}{R}$=mg+m$\frac{5gR}{R}$=6mg;
根据牛顿第三定律,球对管道的外壁的作用力为6mg,选项D正确。
小球在圆形管道内做圆周运动,由于管道内壁能支撑小球,因此小球能够到达最高点时的最小速度为0。选项A正确,选项B错误。
步骤 2:计算小球在最高点时对管道的作用力
设管道对小球的弹力大小为F,方向竖直向下。由牛顿第二定律得
mg+F=m$\frac{{v}^{2}}{R}$,v=2$\sqrt{gR}$,代入解得F=3mg>0,方向竖直向下,
根据牛顿第三定律得知:小球对管道的弹力方向竖直向上,即小球对管道的内壁有作用力,选项C错误。
步骤 3:计算小球在最低点时对管道的作用力
重力和支持力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律,有:N-mg=m$\frac{{v}^{2}}{R}$,
解得:N=mg+m$\frac{{v}^{2}}{R}$=mg+m$\frac{5gR}{R}$=6mg;
根据牛顿第三定律,球对管道的外壁的作用力为6mg,选项D正确。