Question

【题目】轻质弹簧原长为2L，将弹簧竖直放置在地面上，在其顶端将一质量为5m的物体由静止释放，当弹簧被压缩到最短时，弹簧长度为L。现将该弹簧水平放置，一端固定在A点，另一端与物块P接触但不连接。AB是长度为5L的水平轨道，B端与半径为L的光滑半圆轨道BCD相切，半圆的直径BD竖直，如图所示。物块P与AB间的动摩擦因数μ=0.5。用外力推动物块P，将弹簧压缩至长度L，然后放开，P开始沿轨道运动。重力加速度大小为g。

（1）若P的质量为m，求P到达B点时速度的大小，以及它从D点离开圆轨道后落回到AB上的位置与B点间的距离。

（2）若P能滑上圆轨道，且仍能沿圆轨道滑下，求P的质量的取值范围。

Answer 1

【答案】（1）； （2）

【解析】（1）依题意，当弹簧竖直放置，长度被压缩至l时，质量为5m的物体的动能为零，其重力势能转化为弹簧的弹性势能。由机械能守恒定律可知，弹簧长度为l时的弹性势能为①

设P到达B点时的速度大小为，由能量守恒定律得②

联立①②式，取并代入题给数据得③

若P能沿圆轨道运动到D点，其到达D点时的向心力不能小于重力，即P此时的速度大小v应满足

设P滑到D点时的速度为vD。由机械能守恒定律得⑤

联立③⑤可得

满足④式要求，故P能运动到D点，并从D点以速度水平射出。设P落回到轨道AB所需的时间为t，由运动学公式得⑦

P落回到AB上的位置与B点之间的距离为⑧

联立⑥⑦⑧式得⑨

（2）为使P能滑上圆轨道，它到达B点时的速度不能小于零。由①②式可知⑩

要使P仍能沿圆轨道滑回，P在圆轨道上的上升高度不能超过半圆轨道的中点C。由机械能守恒定律有

联立①②⑩式得