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题目:
【题目描述】
一个质量为m的小球,从高度为h处自由下落,进入一个宽度足够大的光滑圆弧轨道,轨道的最低点与小球初始下落点的水平距离为L。已知小球在轨道上运动时,与轨道接触部分的摩擦力为球重的k倍,求小球在轨道上运动时的最大速度和在轨道上运动的时间。
【解题思路】
1. 小球在圆弧轨道上运动时,受到重力、支持力和摩擦力三个力的作用。根据牛顿第二定律和运动学公式,可以建立这三个力的关系式。
2. 根据能量守恒定律,小球在运动过程中,重力势能和动能相互转化,当摩擦力做功等于小球克服摩擦力做功时,小球的速度达到最大。
【答案】
最大速度:v = sqrt(2gh + kmg/m) = sqrt(2gh + kL/s)
时间:t = sqrt(2h/g) - sqrt(2h - L/g) = sqrt(2h/g) - sqrt(L - 2h/g)
【解析】
本题主要考查了牛顿第二定律、运动学公式和能量守恒定律的应用。解题的关键是要理解圆弧轨道的运动规律,并能够根据题目条件建立物理模型。
首先,根据牛顿第二定律,可以列出重力、支持力和摩擦力的关系式:
mg - kLmg = ma
其中,a为加速度。根据运动学公式,可以列出小球在圆弧轨道上运动的位移和时间的关系式:
h = 1/2gt^2
其中,t为时间。同时,根据能量守恒定律,可以列出小球在运动过程中能量的关系式:
mgh = 1/2mv^2 + fs + fs'
其中,fs为摩擦力做的功,fs'为摩擦力克服重力做功的功。将上述关系式代入并化简可得:
v^2 = 2gh + kL + fs/m
由于小球在运动过程中速度达到最大时,摩擦力做的功等于小球克服摩擦力做功,即fs = fs',因此有:
fs = mgh - fs' = mgh - kLmg = mg(h - L/g)
将上述关系式代入可得:v^2 = 2gh + kL - mg(h - L/g) = 2gh + kL + kLmg/m = sqrt(2gh + kL/s)
由于小球从高度为h处自由下落,因此时间t满足:h = 1/2gt^2,即t^2 = 2h/g。将t代入可得时间t的表达式:t = sqrt(2h/g) - sqrt(L - 2h/g)。
综上所述,小球在圆弧轨道上运动时的最大速度为sqrt(2gh + kL/s),时间为sqrt(2h/g) - sqrt(L - 2h/g)。需要注意的是,由于题目中给出的摩擦力为k倍的重力作用,因此需要将摩擦力做功的结果代入能量守恒定律的表达式中。