Question

6．如圖甲所示，水平傳送帶以5.0m/s恒定的速率運(yùn)轉(zhuǎn)，兩皮帶輪之間的距離l=6.0m，皮帶輪的半徑大小可忽略不計(jì)．沿水平傳送帶的上表面建立xOy坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O在傳送帶的最左端．半徑為R的光滑圓軌道ABC的最低點(diǎn)A點(diǎn)與C點(diǎn)原來相連，位于豎直平面內(nèi)（如圖乙所示），現(xiàn)把它從最低點(diǎn)處切開，并使C端沿y軸負(fù)方向錯(cuò)開少許，把它置于水平傳送帶的最右端，A點(diǎn)位于x軸上且與傳送帶的最右端之間的距離可忽略不計(jì)，軌道的A、C兩端均位于最低點(diǎn)，C端與一水平直軌道平滑連接．由于A、C兩點(diǎn)間沿y軸方向錯(cuò)開的距離很小，可把ABC仍看作位于豎直平面內(nèi)的圓軌道．
    將一質(zhì)量m=1.0kg的小物塊P（可視為質(zhì)點(diǎn)）沿x軸輕放在傳送帶上某處，小物塊隨傳送帶運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)進(jìn)入光滑圓軌道，恰好能夠通過圓軌道的最高點(diǎn)B，并沿豎直圓軌道ABC做完整的圓周運(yùn)動(dòng)后由C點(diǎn)經(jīng)水平直軌道滑出．已知小物塊與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.50，圓軌道的半徑R=0.50m，取重力加速度g=10m/s²．求：
（1）物塊通過圓軌道最低點(diǎn)A時(shí)對軌道壓力的大��；
（2）輕放小物塊位置的x坐標(biāo)應(yīng)滿足什么條件，才能完成上述運(yùn)動(dòng)；
（3）傳送帶由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，其與輪子間無相對滑動(dòng)，不計(jì)輪軸處的摩擦．若將小物塊輕放在傳送帶上O點(diǎn)，求為將小物塊從O點(diǎn)運(yùn)送至A點(diǎn)過程中電動(dòng)機(jī)多做的功．
（4）若小物體隨傳送帶運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)進(jìn)入光滑圓軌道，恰好能夠通過圓軌道的最高點(diǎn)B，并沿豎直圓軌道ABC做完整的圓周運(yùn)動(dòng)后由C點(diǎn)經(jīng)水平直軌道滑出．在C點(diǎn)有一特殊裝置是小球帶上0.01庫倫的正電荷，試設(shè)計(jì)可使小球沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)和以a=10m/s²的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的具體方案．

Answer 1

分析 （1）物塊恰好通過圓軌道最高點(diǎn)B時(shí)，由重力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律求出B點(diǎn)速度，物塊由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)的過程，根據(jù)機(jī)械能守恒定律求出A點(diǎn)速度，在A點(diǎn)根據(jù)牛頓第二定律列式即可求解；
（2）根據(jù)牛頓第二定律求出物塊在傳送帶上的加速度，根據(jù)（1）可知物體到達(dá)A點(diǎn)時(shí)的速度與傳送帶速度相等，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本公式求出物體在傳送帶上加速的位移，從而求出輕放小物塊的位置坐標(biāo)需滿足的條件；
（3）根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本公式求出物塊相對于傳送帶運(yùn)動(dòng)的位移，根據(jù)結(jié)合功能關(guān)系求解即可．
（4）根據(jù)題目的要求，結(jié)合要求對物體進(jìn)行合理的受力分析即可正確設(shè)計(jì)相關(guān)的方案．

解答 解：（1）設(shè)物塊恰好通過圓軌道最高點(diǎn)B時(shí)重力提供向心力，設(shè)B點(diǎn)的速率為v_B，根據(jù)牛頓第二定律有：
mg=m$\frac{{v}_{B}^{2}}{R}$
解得：v_B=$\sqrt{gR}$=$\sqrt{10×0.5}$ m/s=$\sqrt{5}$m/s
設(shè)物塊通過圓軌道最低點(diǎn)A的速率為v_A，對于物塊由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)的過程，根據(jù)機(jī)械能守恒定律有：
$\frac{1}{2}$m${v}_{A}^{2}$=$\frac{1}{2}$m${v}_{B}^{2}$+2mgR
代入數(shù)據(jù)解得：v_A=5.0m/s
設(shè)物塊通過圓軌道最低點(diǎn)A時(shí)，軌道對物塊的支持力為F_N，根據(jù)牛頓第二定律有：
F_N-mg=m$\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$；
代入數(shù)據(jù)解得：F_N=60N
據(jù)牛頓第三定律，物塊通過圓軌道最低點(diǎn)A對軌道的壓力為：F′_N=F_N=60N
（2）物塊在傳送帶上的加速度為：a=μg=5.0m/s²
根據(jù)（1）可知物塊運(yùn)動(dòng)至A點(diǎn)的速度滿足v_A=5.0m/s，
可使其恰好通過圓軌道最高點(diǎn)B．傳送帶的速率為：v₀=5.0m/s，
物塊在傳送帶上加速運(yùn)動(dòng)的位移為：x₀=$\frac{{v}_{A}^{2}}{2a}$=2.5m，
故輕放小物塊的位置坐標(biāo)需滿足：x≤l-x₀=3.5m
（3）設(shè)為將小物塊從O點(diǎn)運(yùn)送到A點(diǎn)傳送帶電動(dòng)機(jī)做的功為W，小物塊加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：t=$\frac{{v}_{A}}{a}$=1.0s，
小物塊加速運(yùn)動(dòng)的位移：x=$\frac{1}{2}$at²=2.5m
根據(jù)功能關(guān)系有：W=$\frac{1}{2}$m${v}_{A}^{2}$+μmg（v₀t-x）=25J
（4）Ⅰ、若小球沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則物塊處于平衡狀態(tài)，受到的合外力等于0，所以電場力與重力大小相等，方向相反，所以電場強(qiáng)度的方向向上，大�。�
E=$\frac{mg}{q}=\frac{1.0×10}{0.01}=1000$N/C
Ⅱ、若物塊做a=10m/s²的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則：F_合=ma=1.0×10=10N，方向與運(yùn)動(dòng)的方向相同，即沿水平方向向右．
所以物體受到的電場力的方向沿右上方，如圖：
電場強(qiáng)度的方向與水平方向之間的夾角θ：tanθ=$\frac{mg}{ma}=\frac{10}{10}=1$
所以：θ=45°
E′=$\frac{ma}{cosθ}=\frac{1×10}{cos45°}$=$1000\sqrt{2}$N/C
答：（1）物塊通過圓軌道最低點(diǎn)A時(shí)對軌道壓力的大小為60N；
（2）輕放小物塊位置的x坐標(biāo)應(yīng)滿足x≤3.5m，才能完成上述運(yùn)動(dòng)；
（3）為將小物塊從O點(diǎn)運(yùn)送至A點(diǎn)過程中電動(dòng)機(jī)多做的功為25J．
（4）在C點(diǎn)有一特殊裝置是小球帶上0.01庫倫的正電荷，可使小球沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)電場強(qiáng)度的方向向上，大小為1000N/C；
若做a=10m/s²的勻加速直線運(yùn)動(dòng)則電場強(qiáng)度的方向向右上方，與水平方向之間的夾角是45°，大小是1000$\sqrt{2}$N/C．

點(diǎn)評 本題主要考查了牛頓第二定律、機(jī)械能守恒定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)基本公式以及功能關(guān)系得直接應(yīng)用，知道物塊恰好通過圓軌道最高點(diǎn)B時(shí)，由重力提供向心力是解題的突破口，難度適中．