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(2013•惠州三模)如图所示的轨道由半径为R的14光滑圆弧轨道AB、竖直台阶BC、足够长的光滑水平直轨道CD组成.小车的质量为M,紧靠台阶BC且上水平表面与B点等高.一质量为m的可视为质点
题目详情
(2013•惠州三模)如图所示的轨道由半径为R的
光滑圆弧轨道AB、竖直台阶BC、足够长的光滑水平直轨道CD组成.小车的质量为M,紧靠台阶BC且上水平表面与B点等高.一质量为m的可视为质点的滑块自圆弧顶端A点由静止下滑,滑过圆弧的最低点B之后滑到小车上.已知M=4m,小车的上表面的右侧固定一根轻弹簧,弹簧的自由端在Q点,小车的上表面左端点P与Q点之间是粗糙的,滑块与PQ之间表面的动摩擦因数为μ,Q点右侧表面是光滑的.求:
(1)滑块滑到B点的瞬间对圆弧轨道的压力大小.
(2)要使滑块既能挤压弹簧,又最终没有滑离小车,则小车上PQ之间的距离应在什么范围内?(滑块与弹簧的相互作用始终在弹簧的弹性范围内)
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(1)滑块滑到B点的瞬间对圆弧轨道的压力大小.
(2)要使滑块既能挤压弹簧,又最终没有滑离小车,则小车上PQ之间的距离应在什么范围内?(滑块与弹簧的相互作用始终在弹簧的弹性范围内)
▼优质解答
答案和解析
(1)设滑块滑到B点的速度大小为v,到B点时轨道对滑块的支持力为N,由机械能守恒定律有
mgR=
mv2…①
滑块滑到B点时,由牛顿第二定律有:
N−mg=m
…②
联立①②式解得:N=3mg…③
根据牛顿第三定律,滑块在B点对轨道的压力大小为:N′=3mg
(2)滑块最终没有离开小车,滑块和小车必然具有共同的末速度设为u,滑块与小车组成的系统动量守恒,有mv=(M+m)u…④
若小车PQ之间的距离L足够大,则滑块可能不与弹簧接触就已经与小车相对静止,设滑块恰好滑到Q点,由功能关系有μmgL=
mv2−
(M+m)u2…⑤
联立①④⑤式解得:L=
…⑥
若小车PQ之间的距离L不是很大,则滑块必然挤压弹簧,由于Q点右侧是光滑的,滑块必然被弹回到PQ之间,设滑块恰好回到小车的左端P点处,由功能关系有
2μmgL=
mv2−
(M+m)u2…⑦
联立①④⑦式解得 L=
…⑧
综上所述并由⑥⑧式可知,要使滑块既能挤压弹簧,又最终没有离开小车,PQ之间的距离L应满足的范围是:
≤L<
…⑨
答:(1)滑块滑到B点的瞬间对圆弧轨道的压力大小3mg.
(2)PQ之间的距离L应满足的范围是
≤L<
.
mgR=
1 |
2 |
滑块滑到B点时,由牛顿第二定律有:
N−mg=m
v2 |
R |
联立①②式解得:N=3mg…③
根据牛顿第三定律,滑块在B点对轨道的压力大小为:N′=3mg
(2)滑块最终没有离开小车,滑块和小车必然具有共同的末速度设为u,滑块与小车组成的系统动量守恒,有mv=(M+m)u…④
若小车PQ之间的距离L足够大,则滑块可能不与弹簧接触就已经与小车相对静止,设滑块恰好滑到Q点,由功能关系有μmgL=
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2 |
1 |
2 |
联立①④⑤式解得:L=
4R |
5μ |
若小车PQ之间的距离L不是很大,则滑块必然挤压弹簧,由于Q点右侧是光滑的,滑块必然被弹回到PQ之间,设滑块恰好回到小车的左端P点处,由功能关系有
2μmgL=
1 |
2 |
1 |
2 |
联立①④⑦式解得 L=
2R |
5μ |
综上所述并由⑥⑧式可知,要使滑块既能挤压弹簧,又最终没有离开小车,PQ之间的距离L应满足的范围是:
2R |
5μ |
4R |
5μ |
答:(1)滑块滑到B点的瞬间对圆弧轨道的压力大小3mg.
(2)PQ之间的距离L应满足的范围是
2R |
5μ |
4R |
5μ |
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