高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图甲所示,光滑斜面底端有一固定挡板,轻质弹簧一端固定在挡板上,质量为$m$的物块$\rm P$(可视为质点)从斜面上的$O$点由静止释放,$\rm P$的加速度大小$a$随它与$O$点的距离$x$变化的关系如图乙所示,图乙中各坐标值均已知,${{x}_{3}}$为物块$\rm P$$O$点的最大距离,弹簧始终处于弹性限度内。下列说法正确的是$(\quad\ \ \ \ )$

["

$x={{x}_{1}}$时,物块$\\rm P$速度最大

","

物块$\\rm P$运动过程中的最大加速度为$\\dfrac{\\left( {{x}_{3}}-{{x}_{2}} \\right){{a}_{0}}}{{{x}_{2}}-{{x}_{1}}}$

","

弹簧的最大弹性势能为$m{{a}_{0}}{{x}_{3}}$

","

物块$\\rm P$的最大动能为$\\dfrac{1}{2}m{{a}_{0}}\\left( {{x}_{1}}+{{x}_{2}} \\right)$

"]
[["BCD"]]

$A$.在物块沿斜面向下运动的过程中,对物块$P$进行分析可知,物块先向下做匀加速直线运动,与弹簧接触后,先向下做加速度减小的加速运动,当加速度减小为$0$时,速度达到最大值,之后再向下做加速度方向变为向上的变减速直线运动,可知$x={{x}_{2}}$时,物块$P$速度最大,故$A$错误;

$B$.物块$P$没有接触弹簧前,对物块分析有$mg\text{sin}\theta =m{{a}_{0}}$

$x={{x}_{2}}$时,加速度为$0$,则有$k\left( {{x}_{2}}-{{x}_{1}} \right)=mg\text{sin}\theta $

$x={{x}_{3}}$时,物块的加速度最大,此时有$k\left( {{x}_{3}}-{{x}_{1}} \right)-mg\text{sin}\theta =m{a}'$

解得${a}'=\dfrac{\left( {{x}_{3}}-{{x}_{2}} \right){{a}_{0}}}{{{x}_{2}}-{{x}_{1}}}$

$B$正确;

$C$.物块$P$没有接触弹簧前,对物块分析有$mg\text{sin}\theta =m{{a}_{0}}$

由于${{x}_{3}}$为物块$P$$O$点的最大距离,即在$x={{x}_{3}}$时,物块的速度为$0$,根据能量守恒定律可知,弹簧的最大弹性势能为${{E}_{\text{pmax}}}=mg{{x}_{3}}\text{sin}\theta =m{{a}_{0}}{{x}_{3}}$

$C$正确;

$D$.根据上述可知,$x={{x}_{2}}$时,物块$P$速度最大,动能最大,根据动能定理有$mg{{x}_{2}}\text{sin}\theta +{{W}_{}}={{E}_{\text{kmax}}}$

根据胡克定律可知,弹簧弹力与形变量成正比,利用弹力的平均值可以得到${{W}_{}}=-\dfrac{k{{\left( {{x}_{2}}-{{x}_{1}} \right)}^{2}}}{2}$

由于在$x={{x}_{2}}$时,加速度为$0$,则有$k\left( {{x}_{2}}-{{x}_{1}} \right)=mg\text{sin}\theta $

解得${{E}_{\text{kmax}}}=\dfrac{1}{2}m{{a}_{0}}\left( {{x}_{1}}+{{x}_{2}} \right)$

$D$正确。

故选$BCD$

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