高考物理一轮复习 知识点39：轻绳连接体模型的力与能量问题（提高原卷版）

知识点39：轻绳连接体模型的力与能量问题【知识思维方法技巧】应用动力学和能量观点解决连接体问题的技巧：（1）做好四个分析：受力分析、运动分析、做功分析和能量的转化分析．（2）规律的选择：①物体受到恒力作用发生运动状态的改变求某一时刻的力、加速度或求时间时，一般选择动力学方法（牛顿运动定律）解题；②当涉及功、能和位移时，若研究某一个物体时，一般用动能定理去解决问题。若研究的对象为连接体时，一般选用功能关系或能量守恒定律解题，题目中出现相对位移时，应优先选择能量守恒定律；（3）使用能量守恒定律解题选用表达式的技巧：①解题时，首先确定初、末状态，然后分清有多少种形式的能在转化，再分析状态变化过程中哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加。②无外力做功的表达式：ΔE减＝ΔE增，减少的那些能量的减少量等于增加的那些能量的增加量。E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。③有外力做功的表达式：WF＝ΔE，ΔE为能量的增加量。考点一：速率相等轻绳连接体模型的力与能量问题【知识思维方法技巧】对于单个物体，一般绳上的力要做功，机械能不守恒；对多个物体组成的系统要注意判断物体运动过程中，系统的机械能是否守恒。解题时要注意寻找用绳相连接的物体间的速度关系和位移关系。分清两物体是速度大小相等，还是沿绳方向的分速度大小相等。题型一：悬吊式模型的力与能量问题【典例1提高题】如图所示，可视为质点的小球A、B用不可伸长的细软轻线连接，跨过固定在地面上、半径为R的光滑圆柱，A的质量为B的两倍．当B位于地面上时，A恰与圆柱轴心等高．将A由静止释放，B上升的最大高度是()A．2RB．eq\f(5R,3)C．eq\f(4R,3) D．eq\f(2R,3)【典例1提高题对应练习】如图所示，一很长的、不可伸长的柔软轻绳跨过光滑定滑轮，绳两端各系一小球a和b.a球质量为m，静置于地面；b球质量为3m，用手托住，高度为h，此时轻绳刚好拉紧．从静止开始释放b后，a可能达到的最大高度为()A.h B．1.5h C．2h D．2.5h题型二：斜面式模型的力与能量问题【典例2提高题】(多选)如图，水平地面上固定一足够长的光滑斜面，斜面顶端有一光滑定滑轮，一轻绳跨过滑轮，绳两端分别连接小物块A和B.已知斜面倾角θ＝30°，小物块A的质量为m，小物块B的质量为0.8m，小物块B距离地面的高度为h，小物块A距离定滑轮足够远．开始时，小物块A和小物块B位于同一水平面上，用手按住小物块A，然后松手．则下列说法正确的是(重力加速度为g)()A．松手瞬间，小物块A的加速度大小为eq\f(1,6)gB．松手后，小物块A的机械能守恒C．小物块B落地前瞬间的速度大小为eq\r(\f(2gh,3))D．小物块A能够上升到的最高点与地面的距离为eq\f(5h,3)【典例2提高题对应练习】如图所示，表面光滑的固定斜面甲、乙顶端都安装一定滑轮，甲斜面上有小物块A、B用轻绳连接并跨过滑轮，乙斜面上有小物块C、D用轻绳连接并跨过滑轮。初始时刻，用手按住B和D，使A、B、C、D都处于同一高度并恰好处于静止状态。已知甲斜面的倾角为53°，乙斜面的倾角为37°，四个小物块的质量都相同，不计滑轮质量和摩擦，现同时释放B和D，则放手后A和C着地时速度之比为()A．1∶1B．1∶eq\r(2)C．2∶1 D．3∶4考点二：速率不相等轻绳连接体模型的力与能量问题【知识思维方法技巧】用绳连接的两物体速率不相等，但是物体沿轻绳方向速率相等。题型一：轻绳连接体在固定杆上运动模型【典例1提高题】(多选)如图所示，质量均为m的物块A和B用不可伸长的轻绳连接，A放在倾角为θ的固定光滑斜面上，而B能沿光滑竖直杆上下滑动，杆和滑轮中心间的距离为L，物块B从与滑轮等高处由静止开始下落，斜面与杆足够长，重力加速度为g.在物块B下落到绳与水平方向的夹角为θ的过程中，下列说法正确的是()A.物块B的机械能的减小量大于物块A的重力势能的增加量B.物块B的重力势能减小量为mgLtanθC.物块A的速度大于物块B的速度D.物块B的末速度为【典例1提高题对应练习】如图所示，物块A套在光滑水平杆上，连接物块A的轻质细线与水平杆间所成夹角为θ＝53°，细线跨过同一高度上的两光滑定滑轮与质量相等的物块B相连，定滑轮顶部离水平杆距离为h＝0.2m，现将物块B由静止释放，物块A、B均可视为质点，重力加速度g＝10m/s2，sin53°＝0.8，不计空气阻力，则()A.物块A与物块B速度大小始终相等B.物块B下降过程中，重力始终大于细线拉力C.当物块A经过左侧定滑轮正下方时，物块B的速度最大D.物块A能达到的最大速度为1m/s题型二：轻绳连接体在固定圆弧上运动模型【典例2提高题】如图所示，一个半径为R的半球形碗固定在桌面上，碗口水平，O点为其圆心，碗的内表面及碗口是光滑的。一根足够长的轻质细线跨在碗口上，线的两端分别系有小球A(可视为质点)和B，当它们处于平衡状态时，小球A与O点的连线与水平线的夹角为60°。求：（1）小球A与小球B的质量比mA∶mB。（2）现将A球质量改为2m，B球质量改为m，且开始时A球位于碗口右端的C点，由静止沿碗下滑。当A球滑到碗底时，两球总的重力势能改变量的大小。（3）在（2）的条件下，当A球滑到碗底时，B球的速度大小。【典例2提高题对应练习】如图所示，左侧为一个半径为R的半球形的碗固定在水平桌面上，碗口水平，O点为球心，碗的内表面及碗口光滑．右侧是一个固定光滑斜面，斜面足够长，倾角θ＝30°.一根不可伸长的不计质量的细绳跨在碗口及光滑斜面顶端的光滑定滑轮两端上，绳的两端分别系有可视为质点的小球m1和m2，且m1＞m2.开始时m1恰在碗口水平直径右端A处，m2在斜面上且距离斜面顶端足够远，此时连接两球的细绳与斜面平行且恰好伸直．当m1由静止释放运动到圆心O的正下方B点时细绳突然断开，不计细绳断开瞬间的能量损失．(1)求小球m2沿斜面上升的最大距离s；(2)若已知细绳断开后小球m1沿碗的内侧上升的最大高度为eq\f(R,2)，求eq\f(m1,m2).(结果保留两位有效数字)题型三：轻绳连接体在轮轴上转动模型【典例3提高题】(多选)如图所示，鼓形轮的半径为R，可绕固定的光滑水平轴O转动。在轮上沿直径方向固定两根直杆，杆上分别固定有小球A、B，两球与O的距离均为2R。在轮上绕有长绳，绳上悬挂着小球C。已知三个小球质量相等，绳与轮之间无相对滑动，忽略鼓形轮、直杆和长绳的质量，不计空气阻力，重力加速度为g。开始A、B两小球与鼓形轮圆心等高，两球从静止开始运动，带动鼓形轮转动。在B球顺时针转动到最低位置的过程中，以下说法正确的是()A.同一时刻A球的速度大小是C球速度大小的两倍B.重力对B球做功的瞬时功率先增大后减小C.B球转动到最低位置时的速度大小为D.杆对B球做正功，B球机械能不守恒【典例3提高题对应练习】如图所示，鼓形轮的半径为R，可绕固定的光滑水平轴O转动．在轮上沿相互垂直的直径方向固定四根直杆，杆上分别固定有质量为m的小球，球与O的距离均为2R.在轮上绕有长绳，绳上悬挂着质量为M的重物．重物由静止下落，带动鼓形轮转动．重物落地后鼓形轮匀速转动，转动的角速度为ω.绳与轮之间无相对滑动，忽略鼓形轮、直杆和长绳的质量，不计空气阻力，重力加速度为g.求：（1）重物落地后，小球线速度的大小v；（2）重物落地后一小球转到水平位置A，此时该球受到杆的作用力的大小F；（3）重物下落的高度h.考点三：轻绳摆球模型的力与能量问题【典例1提高题】如图所示，不可伸长的轻质细线下方悬挂一可视为质点的小球，另一端固定在竖直光滑墙面上的O点。开始时，小球静止于A点，现给小球一水平向右的初速度，使其恰好能在竖直平面内绕O点做圆周运动。垂直于墙面的钉子N位于过O点竖直线的左侧，eq\o(ON,\s\up6(－))与eq\o(OA,\s\up6(－))的夹角为θ(0＜θ＜π)，且细线遇到钉子后，小