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，以及它离开圆轨道后落回到AB上的位置与B点之间的距离；

（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） 2l （2）

【解析】

试题分析：（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。由机械能守恒定律知，弹簧长度为l时的弹性势能为

Ep＝5mgl①

设P到达B点时的速度大小为vB，由能量守恒定律得

Ep＝mvB2＋μmg（5l－l）②

联立①②式，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

④

设P滑到D点时的速度为vD，由机械能守恒定律得

mvB2＝mvD2＋mg·2l⑤

联立③⑤式得⑥

vD满足④式要求，故P能运动到D点，并从D点以速度vD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

2l＝gt2⑦

P落回到AB上的位置与B点之间的距离为s＝vDt⑧

联立⑥⑦⑧式得

s＝2l⑨

（2）设P的质量为M，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

5mgl>μMg·4l⑩

要使P仍能沿圆轨道滑回，P在圆轨道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

MvB′2≤Mgl

Ep＝MvB′2＋μMg·4l

联立①⑩式得