
一质量为m的质点,系在细绳的一端,绳的另一端固定在水平面上,水平面粗糙.此质点在该水平面上做半径为r的圆周运动,设质点的最初速率是v0,当它运动一周时,其速率变为 ,则( ) A. 当它运动一周时摩擦力做的功为- B. 质点与水平面的动摩擦因数为μ= C. 在小球运动过程中细绳的拉力逐渐减小 D. 质点在运动了三个圈时恰好停止
质点在粗糙水平面上做圆周运动时,细绳拉力提供向心力(方向指向圆心),滑动摩擦力始终与速度方向相反,导致速率减小。根据动能定理,摩擦力做的功等于动能变化量。设质点运动一周后速率从变为,则摩擦力做功,由于速率减小,为负值,选项A中“-”后缺少具体表达式,故A错误。
滑动摩擦力大小\(f = \mu mg\),方向始终与运动方向相反。质点运动一周的路程为\(2\pi r\),摩擦力做功\(W_f = -f \cdot 2\pi r = -\mu mg \cdot 2\pi r\)。结合动能定理\(-\mu mg \cdot 2\pi r = \frac{1}{2}mv_1^2 - \frac{1}{2}mv_0^2\),解得\(\mu = \frac{v_0^2 - v_1^2}{4\pi rg}\)。若题目中“速率变为”后补充具体数值(如\(\frac{v_0}{2}\)),可代入计算,选项B因缺少速率变化的具体数据,表达式不完整,故B错误。
细绳拉力提供向心力,大小为\(F = m\frac{v^2}{r}\)。由于摩擦力做负功,质点速率\(v\)随时间减小,因此拉力\(F\)逐渐减小,选项C正确。
质点停止时动能为零,总路程\(s\)满足\(-\mu mg \cdot s = 0 - \frac{1}{2}mv_0^2\),即\(s = \frac{v_0^2}{2\mu g}\)。若运动一周后速率为\(v_1\),则前一周路程对应动能变化\(\Delta E_1 = \frac{1}{2}m(v_1^2 - v_0^2)\),后续每周路程的动能变化量逐渐减小(因速率减小导致摩擦力做功绝对值减小),总圈数需通过积分或分段计算,无法直接判断为“三个圈”,选项D错误。
结论:正确选项为C。实际问题中,需明确速率变化的具体数值以计算功和动摩擦因数,而拉力随速率减小的规律具有普遍性。