Question

4．如图所示内壁光滑的环形槽半径为R．固定在竖直平面内，质量均为m的小球A、B以等大的速率v₀从圆心等高处向上、向下滑入环形槽，若在运动过程中两球均未脱离环形槽，设当地重力加速度为g．则下列叙述正确（　　）

• A． 两球再次相遇时，速率仍然相等
• B． 小球v₀的最小值为$\sqrt{2gR}$
• C． 小球A通过最高点时的机械能小于小球B通过最低点时的机械能
• D． 小球A通过最高点和小球B通过最低点时对环形槽的压力差值为6mg

Answer 1

分析 两个小球在光滑的圆轨道内运动，机械能守恒，据机械能守恒定律分析它们再次相遇时速率关系．A球要到最高点，在最高点的速度v必须满足m$\frac{{v}^{2}}{R}$≥mg．根据机械能守恒和牛顿第二定律求解轨道对两球的支持力之差，得到压力之差．

解答 解：A、两个小球在光滑的圆轨道内运动，只有重力做功，机械能守恒，开始出发时机械能相等，则再次相遇时机械能守恒也相等，速率必定相等．故A正确．
B、设A球刚好到最高点时的速率为v，则mg=m$\frac{{v}^{2}}{R}$，从出发到最高点的过程，有mgR+$\frac{1}{2}m{v}^{2}$=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$，联立解得：v₀=$\sqrt{\frac{3}{2}gR}$，即小球v₀的最小值为$\sqrt{3gR}$，故B错误．
C、根据机械能守恒定律知，小球A通过最高点时的机械能等于小球B通过最低点时的机械能，故C错误．
D、小球A通过最高点时，有mg+N_A=m$\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$，小球B通过最低点时，有N_B-mg=m$\frac{{v}_{B}^{2}}{R}$
又由机械能守恒得：
对A球，有 mgR+$\frac{1}{2}m{v}_{A}^{2}$=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$，对B球，有 mgR+$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$=$\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}$
联立解得，N_B-N_A=6mg，则小球A通过最高点和小球B通过最低点时对环形槽的压力差值为6mg，故D正确．
故选：AD．

点评 本题的关键要掌握机械能守恒和向心力知识，要准确把握小球到达最高点的临界条件，熟练运用机械能守恒定律和牛顿运动定律处理这类问题．