Question

如圖所示，粗糙的斜面AB下端與光滑的圓弧軌道BCD相切于B，整個(gè)裝置豎直放置，C是最低點(diǎn)，圓心角∠BOC=37°，圓弧軌道半徑R=0.5m，斜面長(zhǎng)L=2m，整個(gè)軌道除AB段以外都是光滑的，如圖所示．現(xiàn)有一個(gè)質(zhì)量m=0.1kg的小物塊以初速度v_o=4m/s，從某一高處水平拋出，到A點(diǎn)時(shí)速度方向恰沿AB方向，并沿傾斜軌道滑下．已知物塊與傾斜軌道的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5（g取10m/s²，sin37°=0.60，cos37°=0.08）．
求：
（1）物塊的拋出點(diǎn)和A點(diǎn)的高度差；
（2）物塊到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度大小；
（3）物塊離開(kāi)D點(diǎn)后會(huì)從空中返回到圓軌道和斜面，在此后的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中；物塊通過(guò)C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的最小壓力為多大？

Answer 1

分析：（1）物塊從拋出點(diǎn)到A點(diǎn)做平拋運(yùn)動(dòng)，到A點(diǎn)時(shí)速度方向恰沿AB方向，則速度方向與水平方向的夾角等于斜面的傾角37°，根據(jù)tan37°=

vy

v0

，及豎直方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律v_y=

2gh

，可求出拋出點(diǎn)和A點(diǎn)的高度差；
（2）研究A到B過(guò)程，根據(jù)動(dòng)能定理求出物塊到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度大小；
（3）由于機(jī)械能損失，物塊最終在B與其等高的圓弧軌道上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)C點(diǎn)的壓力最小，根據(jù)機(jī)械能守恒定律求出經(jīng)過(guò)C點(diǎn)的速度，根據(jù)牛頓第二、第三定律求出物塊通過(guò)C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的最小壓力．

解答：解：（1）設(shè)物塊物塊的拋出點(diǎn)和A點(diǎn)的度差為h，到達(dá)A點(diǎn)時(shí)豎直方向的速度大小為v_y，則由題意得
  tan37°=

vy

v0

，
解得，v_y=v₀tan37°
又v_y=

2gh

，
聯(lián)立解得 h=0.45m
（2）物塊到達(dá)A點(diǎn)的速度為v_A=

v 2 0 + v 2 y

=5m/s
從A到B，根據(jù)動(dòng)能定理得
mgLsin37°-μmgcos37°?L=

1

2

m

v

2 B

-

1

2

m

v

2 A

解得，v_B=

33

m/s
（3）物塊最后在B與其等高的圓弧軌道上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)C點(diǎn)的壓力最小，
由B到C過(guò)程，根據(jù)機(jī)械能守恒定律
   mgR（1-cos37°）=

1

2

m

v

2 C

解得，v_C=

2

m/s
由牛頓第二定律得：
  N-mg=m

v 2 C

R

解得，N=1.4N
由牛頓第三定律得，物塊通過(guò)C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的最小壓力為N′=N=1.4N．
答：（1）物塊的拋出點(diǎn)和A點(diǎn)的高度差是0.45m；
（2）物塊到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度大小是

33

m/s；
（3）物塊通過(guò)C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的最小壓力為1.4N

點(diǎn)評(píng)：本題是平拋運(yùn)動(dòng)、動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒與牛頓定律的綜合應(yīng)用，難點(diǎn)在于分析過(guò)程，得到物塊最后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．