Question

（14分）如图装置，AB段为倾角为37°的粗糙斜面，动摩擦因数μ₁为0.25，BC、CE段光滑，CD为一光滑的圆形轨道，半径R=0. 32m，物体在C点能顺利进出圆形轨道而不损失机械能。EF为一逆时针匀速转动的足够长的传送带，动摩擦因数μ₂为0.2。现从AB面上距地面H处轻轻放上一质量m=1kg的小物块（视为质点）。物块经过CD轨道后滑向传送带。取，sin37⁰=0.6,cos37⁰=0.8。

1、现将物体从H=2.7m处释放，求①第一次经过B点时的速度大小，②第一次经过D点时轨道对物块的压力大小。

2、若传送带的速度为v=5m/s。物体仍从H=2.7m处释放，试计算说明物体能否两次通过最高点D？若能通过，请计算第二次通过最高点D点时轨道对物块的压力大小。

3、若传送带速度大小可在释放物块前预先调节。将物体从H=2.7m处释放，从释放到第二次进入圆轨道过程的过程中，试分析物块和各接触面摩擦至少要产生多少热量才能保证物体能够两次到达D点？

4、现将传送带速度调节至一足够大速度值，将物体从AB某处释放后，第10次进入圆轨道时仍不脱离圆轨道，试分析释放物块的高度有何要求？

 

Answer 1

【答案】

(1)6m/s， 62.5N （2）28.125N （3）59J    （4）和.

【解析】

试题分析：（1）物体由H处下落到达B端，由动能定理：

物体运动到由B运动到D点：

D点有：

得：N₁=62.5N

（2）物体若能通过D点在水平面处的最小速度为v₀，则由动能定理：

得：

物体上传送带时速度为6m/s,上传送带后先减速为0，再反向加速。5m/s<6m/s,则反向时E点的速度v_E=5m/s。由5m/s>4m/s,物体能够到达D点。

物体运动到由E运动到D点：

D点有：

(3)物体运动若要第二次到达D点，从传送带上返回E点时，速度至少为4m/s,则传送带的速度至少为4m/s.

物体滑上传送带后的运动图像可由下图表示

由图像可知传送带速度越小，两者的相对位移（图中阴影的面积）越小。综合以上分析传送带的速度为4m/s时，在传送带上放热最少。而在斜面上运动时，摩擦放热为定值。综上所述：

在斜面上摩擦放热：

物体在传送带上运动：

则摩擦总共放热：Q=59J

(4)物体不脱离圆形轨道的情形有两种，一种是全部通过最高点D，一种是滑块滑到CD轨道的圆心高度以下。由第（3）问图像可以知道，传送带速度足够大，物体无论以什么样的速度滑上传送带，返回的速度均等于滑上传送带时的速度，物体的机械能的损失相当于全部发生在斜面上。

①物体10次都过D点

设某次滑上斜面时初速度为v₀,滑上后又滑下的速度为v_1,,根据能量守恒定律有：（1）

 （2）

（1）（2）联立得：

即每次滑上斜面再滑下斜面后，动能变为原来的1/2,数列为等比数列.

第十次开始滑上D点时，等于经过EC滑上圆轨道的速度，最小值为v₁₀=4m/s,所以,则物体第一次冲上斜面的速度为v₁,，v₁=16m/s，也就是第一次滑动B点的速度

此时由释放点到B点动能定理：

得H₁=19.2m

则释放的最小高度为19.2m

②物体最高到达CD圆心高度，则由动能定理：

得H₂=0.24m

讨论：下面讨论物体是否存在能够在一次经过D点，经过斜面滑上滑下后到达不了CD圆心高度。

由于通过最高点机械能至少为，经过一次滑上滑下斜面后，物体上圆轨道时机械能变为原来一半，则。故不可能出现经过D点后下一次冲不到圆心高度的情况。

综上所述：和

考点：本题考查了动能定理和圆周运动的综合应用问题。