题目
m-|||-R-|||-P如图,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的质点自P点上方高度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( ) A.W= dfrac (1)(2)mgR,质点恰好可以到达Q点B.W > dfrac (1)(2)mgR,质点不能到达Q点C.W= dfrac (1)(2)mgR,质点到达Q点后,继续上升一段距离D.W < dfrac (1)(2)mgR,质点到达Q点后,继续上升一段距离

- A.$W= \dfrac {1}{2}mgR$,质点恰好可以到达$Q$点
- B.$W > \dfrac {1}{2}mgR$,质点不能到达$Q$点
- C.$W= \dfrac {1}{2}mgR$,质点到达$Q$点后,继续上升一段距离
- D.$W < \dfrac {1}{2}mgR$,质点到达$Q$点后,继续上升一段距离
题目解答
答案
$C$
解析
步骤 1:确定质点在最低点$N$时的受力情况
质点在最低点$N$时,受到重力$mg$和轨道对它的支持力$F_N$。根据题意,质点对轨道的压力为$4mg$,所以轨道对质点的支持力$F_N=4mg$。根据牛顿第三定律,质点对轨道的压力等于轨道对质点的支持力,即$F_N=4mg$。
步骤 2:应用牛顿第二定律求解质点在最低点$N$时的速度
在最低点$N$,质点做圆周运动,轨道对质点的支持力$F_N$和重力$mg$的合力提供向心力。根据牛顿第二定律,有$F_N-mg=\dfrac{mv^2}{R}$,其中$v$是质点在最低点$N$时的速度。将$F_N=4mg$代入,得到$4mg-mg=\dfrac{mv^2}{R}$,即$3mg=\dfrac{mv^2}{R}$。解得$v=\sqrt{3gR}$。
步骤 3:应用机械能守恒定律求解质点从$P$点到$N$点过程中克服摩擦力所做的功$W$
质点从$P$点到$N$点的过程中,重力势能减少,动能增加,同时克服摩擦力做功。根据机械能守恒定律,有$mgh=\dfrac{1}{2}mv^2+W$,其中$h=2R$是质点从$P$点到$N$点的高度差。将$v=\sqrt{3gR}$代入,得到$mg(2R)=\dfrac{1}{2}m(3gR)+W$。解得$W=\dfrac{1}{2}mgR$。
步骤 4:分析质点从$N$点到$Q$点的运动情况
质点从$N$点到$Q$点的过程中,重力势能增加,动能减少,同时克服摩擦力做功。由于质点在$N$点时的速度$v=\sqrt{3gR}$,大于质点在$Q$点时的速度$\sqrt{2gR}$,所以质点可以到达$Q$点,并且在$Q$点时还有剩余动能,因此质点会继续上升一段距离。
质点在最低点$N$时,受到重力$mg$和轨道对它的支持力$F_N$。根据题意,质点对轨道的压力为$4mg$,所以轨道对质点的支持力$F_N=4mg$。根据牛顿第三定律,质点对轨道的压力等于轨道对质点的支持力,即$F_N=4mg$。
步骤 2:应用牛顿第二定律求解质点在最低点$N$时的速度
在最低点$N$,质点做圆周运动,轨道对质点的支持力$F_N$和重力$mg$的合力提供向心力。根据牛顿第二定律,有$F_N-mg=\dfrac{mv^2}{R}$,其中$v$是质点在最低点$N$时的速度。将$F_N=4mg$代入,得到$4mg-mg=\dfrac{mv^2}{R}$,即$3mg=\dfrac{mv^2}{R}$。解得$v=\sqrt{3gR}$。
步骤 3:应用机械能守恒定律求解质点从$P$点到$N$点过程中克服摩擦力所做的功$W$
质点从$P$点到$N$点的过程中,重力势能减少,动能增加,同时克服摩擦力做功。根据机械能守恒定律,有$mgh=\dfrac{1}{2}mv^2+W$,其中$h=2R$是质点从$P$点到$N$点的高度差。将$v=\sqrt{3gR}$代入,得到$mg(2R)=\dfrac{1}{2}m(3gR)+W$。解得$W=\dfrac{1}{2}mgR$。
步骤 4:分析质点从$N$点到$Q$点的运动情况
质点从$N$点到$Q$点的过程中,重力势能增加,动能减少,同时克服摩擦力做功。由于质点在$N$点时的速度$v=\sqrt{3gR}$,大于质点在$Q$点时的速度$\sqrt{2gR}$,所以质点可以到达$Q$点,并且在$Q$点时还有剩余动能,因此质点会继续上升一段距离。