如图所示,光滑水平面右端B处连接一个竖直的半径为R的光滑半圆轨道,在离B距离为x的A点,用水平恒力将质量为m的质点从静止开始推到B处后撤去恒力,质点沿半圆轨道运动到C处后

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 动能定理/2022-11-05 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

如图所示,光滑水平面右端B处连接一个竖直的半径为R的光滑半圆轨道,在离B距离为x的A点,用水平恒力将质量为m的质点从静止开始推到B处后撤去恒力,质点沿半圆轨道运动到C处后又正好落回A点:
(1)求推力对小球所做的功.
(2)x取何值时,完成上述运动所做的功最少?最小功为多少.
(3)x取何值时,完成上述运动用力最小?最小力为多少.
魔方格

◎ 答案

(1)由题意,质点从半圆弧轨道做平抛运动又回到A点,设质点在C点的速度为vC,质点从C点运动到A点所用的时间为t,则
在水平方向:x=vCt     ①
竖直方向上:2R=
1
2
gt2
解①②有   vC=
x
2

g
R
  ③
对质点从A到C,由动能定理有
  WF-mg?2R=
1
2
m
v2C
  ④
解得  WF=
mg(16R2+x2)
8R
     ⑤
(2)要使F力做功最少,确定x的取值,由④式得 WF=mg?2R+
1
2
m
v2C
,则知,只要质点在C点速度最小,则功WF就最小.
若质点恰好能通过C点,其在C点最小速度为v,
由牛顿第二定律有
  mg=
mυ2
R
,则  v=

Rg
  ⑥
由③⑥有
x
2

g
R
=

Rg
,解得x=2R时,WF最小,最小的功WF=mg?2R+
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