题目内容
【题目】某兴趣小组设计了一个玩具轨道模型如图甲所示,将一质量为m=0.5kg的玩具小车(可以视为质点)放在P点,用弹簧装置将其从静止弹出(弹性势能完全转化为小车初始动能)使其沿着半径为r=1.0m的光滑圆形竖直轨道OAO′运动,玩具小车与水平面PB的阻力为其自身重力的0.5倍(g取10m/s2),PB=16.0m,O为PB中点。B点右侧是一个高h=1.25m、宽L=2.0m的壕沟。求;
(1)要使小车恰好能越过圆形轨道的最高点A,小车在O点受到轨道弹力的大小;
(2)要求小车能安全越过A点,并从B点平抛后越过壕沟,则弹簧的弹性势能至少为多少?
(3)若在弹性限度内,弹簧的最大弹性势能Epm=40J,以O点为坐标原点,OB为x轴,从O到B方向为正方向,在图乙坐标上画出小车能进入圆形轨道且不脱离轨道情况下,弹簧弹性势能Ep与小车停止位置坐标x关系图。
【答案】(1)要使小车恰好能越过圆形轨道的最高点A,小车在O点受到轨道弹力的大小是30N;(2)要求小车能安全越过A点,并从B点平抛后越过壕沟,则弹簧的弹性势能至少为44J。
(3)
【解析】
(1)小车恰好经过A点时,有:
得
对小车从O到A过程,根据动能定理,有:
解得 v0=5m/s
小车在O点时,由牛顿第二定律得
联立解得:FN=6mg=30N
(2)要求Ⅰ:越过A点,v0=5m/s
P→O:Ep弹1﹣kmgxPO=mv02﹣0
得 Ep弹1=32.5J
要求Ⅱ:平抛运动后越过壕沟,有
L=vBt
h=gt2
可得 vB=4m/s
由动能定理,有 Ep弹2﹣kmgxPB=mvB2﹣0
解得 Ep弹2=44J
综上所述,弹簧的弹性势能至少为44J。
(3)分类讨论:因为最大弹簧势能为40J,所以小车至多运动到B点,必不平抛。
情况1:能越过A点,弹性势能 32.5J≤Ep弹1≤40J。
当Ep弹1﹣kmgx1=0﹣0,得 13m≤x1≤16m。
又因为O点是坐标原点,所以实际坐标值为 5m≤x11≤8m。
情况2:恰能到达圆轨道圆心等高处,当Ep弹2﹣kmgxPO﹣mgr=0﹣0,得 Ep弹2=25J
mgr=kmgx21,得 x21=2m
又因为O点为坐标原点,所以实际坐标值为 x21=﹣2m
恰能进入圆轨道,当Ep弹2﹣kmgxPO=0﹣0,得 Ep弹2=20J,此时坐标值为0
由动能定理表达式可知,Ep弹与x是线性函数图象,如图。