高中 | 绳、杆的关联速度问题 题目答案及解析

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必修2

第五章 曲线运动

5.1 曲线运动

绳、杆的关联速度问题

如图所示,一根轻质弹簧一端固定于光滑竖直杆上,另一端与质量为$m$的滑块$P$连接,$P$穿在杆上,一根轻绳跨过定滑轮将滑块$P$和重物$Q$连接起来,重物$Q$的质量$M=6m$,把滑块从图中$A$点由静止释放后沿竖直杆上下运动,当它经过$A$$B$两点时弹簧对滑块的弹力大小相等,已知$OA$与水平面的夹角$\theta=53^\circ$$OB$长为$L$,与$AB$垂直,不计滑轮的摩擦力,重力加速度为$g$$\sin53^\circ=0.8$$\cos53^\circ=0.6$,滑块$P$$A$$B$的过程中,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

对于滑块$Q$,其重力的功率一直减小

","

$P$$Q$的机械能之和先增加后减小

","

轻绳对滑块$P$做功为$4mgL$

","

滑块$P$运动到位置$B$处速度达到最大

"]
[["BC"]]

$\rm A$.释放重物$Q$后,$Q$向下运动,$P$向上运动,根据速度关联可知,$P$沿绳方向的速度分量等于$Q$运动的速度,当$P$运动到$B$点时,$Q$的速度为零,所以$P$$A$点运动至$B$点的过程中,重物$Q$的速度先增加后减小,根据$P=6mgv_{Q}$可知,重物$Q$的重力的功率先增加后减小,故$\rm A$错误;

$\rm B$.对于$P$$Q$系统,竖直杆不做功,系统的机械能变化只与弹簧对$P$的做功有关,由题知,$P$经过$A$$B$两点时弹簧弹力大小相等,则$P$$A$处时弹簧被压缩,$P$$B$处时弹簧被拉伸,压缩量等于伸长量,故$P$$A$$B$的过程中,弹簧对$P$先做正功,后做负功,所以$P$$Q$系统的机械能先增加后减小,故$\rm B$正确;

$\rm C$.设$P$$A$$B$过程中,轻绳拉力对$Q$做功为$W$$P$到达$B$点时$Q$的速度为$0$,对$Q$,根据动能定理得$W+6mg\left(\dfrac{L}{\cos 53^\circ}-L\right)=0$,解得$W=-4mgL$,则轻绳对$P$做功为$W'=−W=4mgL$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.由于滑块$P$$A$$B$两点处弹簧的弹力大小相等,所以滑块$P$$A$点时受到弹簧向上的弹力,运动至$B$点时受到弹簧向下的弹力,对$P$受力分析可知,滑块$P$运动到$B$点时所受合力竖直向下,则加速度竖直向下,所以滑块$P$$A$$B$过程中,开始时加速最后减速,即在$A$$B$间某位置速度最大,故$\rm D$错误。

故选:$\rm BC$

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