题目内容
【题目】如图所示,一根均匀圆形直轻杆AC由粗细不同两段AB=10m和BC=2m组成,其中,AB段粗糙、BC段光滑,直轻杆AC垂直地固定在一块倾角为37°的楔形弹性斜面体上,弹性斜面体放在粗糙的水平面上,现有一质量为m=2kg、孔径略大于直杆直径的圆环P,在沿杆向上的恒力F的作用下,从直轻杆AC的底端由静止开始沿杆向上运动,圆环P与杆间的动摩擦因数为0.1,当圆环P刚运动到B点时恒力F突然撤去,圆环刚好能到达顶端C,然后,再沿直轻杆下滑,环在整个运动过程中,弹性斜面体始终静止不动。重力加速度为g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8.求:
(1)在圆环P沿杆AB向上运动的过程中,地面对弹性斜面体的摩擦力;
(2)恒力F的最大功率;
(3)环从开始运动到第二次碰撞弹性斜面体的过程中,系统产生的热量。
【答案】(1)10.32N,方向水平向左 (2)115.4W (3)48J
【解析】
(1)环与直轻杆之间的滑动摩擦力大小为 fAB=μmgcos53°
环对杆的压力 NAB=mgcos53°
以弹性斜面体为研究对象,在水平方向上有
f0=fABcos53°+NABcos37°
由以上两式解得地面对弹性斜面体的摩擦力 f0=10.32N,方向水平向左。
(2)在圆环从A→C的过程中,由动能定理得:
Fx1-mg(x1+x2)sin53°-μmgx1cos53°=0
在圆环从B→C的过程中,由机械能守恒得:
=mgx2sin53°
恒力F的最大功率 Pm=FvB
联立解得:Pm=81.6W≈115.4W
(3)设第一次碰撞前圆环的动能为Ek,由动能定理得:
Fx1﹣2μmgx1cos53°=Ek
设第一碰撞后向上运动的距离为x,由动能定理得
mgxsin53°﹣μmgxcos53°=0﹣Ek
解得:x=10.47m>x1=10m
系统产生的热量
Q=(μmgcos53°)×x1×4
解得:Q=48J.