题目内容

13.如图所示,光滑半圆形竖直轨道固定在光滑水平地面上,其半径为r,直径MN与水平面垂直,质量为m的平板a置于水平面上,a右端固定一轻质弹簧,左端P点有质量为2m的物体b,b与弹簧自由端相距L,一质量为m的物体,(可视为质点)以一定的水平速度飞来,从M点进入圆轨道并恰好能够沿竖直圆轨道运动到最低点,然后与静止的a发生碰撞,碰后a、c粘连在一起.b将弹簧压缩到最大压缩量x后被弹回并停止板上的P点,已知重力加速度为g,求:
(1)物体c滑至圆轨道最低点N是的速度v;
(2)在物体c从M点开始运动直至b被弹回停在P点的过程中,a、b、c组成的系统机械能的变化量△E;
(3)a、b间动摩擦因数μ.

分析 (1)物体从M点进入圆轨道并恰好能够沿竖直圆轨道运动到最低点,则在M点由重力提供向心力,求出初速度,从M到N的过程中,根据动能定理求出到达N点的速度;
(2)a、c碰撞的过程中,动量守恒,根据动量定律求出ac的共同速度,最终b停在a的最左端,速度与a相等,则abc三个物体速度相等,此过程中,整体不受外力,系统动量守恒,根据动量定律求出abc的共同速度,从而求出整个过程中损失的机械能;
(3)ac碰撞后,b在a上运动的过程中,由于摩擦力做功而使能量损失,根据能量守恒列式即可求解.

解答 解:(1)物体从M点进入圆轨道并恰好能够沿竖直圆轨道运动到最低点,则在M点由重力提供向心力,则有:
mg=m$\frac{{{v}_{0}}^{2}}{r}$
解得:${v}_{0}=\sqrt{gr}$
从M到N的过程中,根据动能定理得:
$\frac{1}{2}m{v}^{2}-\frac{1}{2}m{{v}_{0}}^{2}=mg•2r$
解得:$v=\sqrt{5gr}$
(2)a、c碰撞的过程中,动量守恒,则有:
mv=(m+m)v1
解得:${v}_{1}=\frac{v}{2}$=$\frac{\sqrt{5gr}}{2}$,
最终b停在a的最左端,速度与a相等,则abc三个物体速度相等,此过程中,整体不受外力,系统动量守恒,则有:mv=(m+m+2m)v2
解得:${v}_{2}=\frac{v}{4}=\frac{\sqrt{5gr}}{4}$
则整个过程中,损失的机械能为:
$△E=\frac{1}{2}m{v}^{2}-\frac{1}{2}×4m×{{v}_{2}}^{2}$=$\frac{15}{8}mgr$
(3)ac碰撞后,b在a上运动的过程中,由于摩擦力做功而使能量损失,根据能量守恒得:
$2×μ2mg(L+x)=\frac{1}{2}(m+m){{v}_{1}}^{2}-$$\frac{1}{2}(m+m+2m){{v}_{2}}^{2}$
解得:$μ=\frac{5r}{32(L+x)}$
答:(1)物体c滑至圆轨道最低点N是的速度v为$\sqrt{5gr}$;
(2)在物体c从M点开始运动直至b被弹回停在P点的过程中,a、b、c组成的系统机械能的变化量△E为$\frac{15}{8}mgr$;
(3)a、b间动摩擦因数μ为$\frac{5r}{32(L+x)}$.

点评 本题综合运用了动能定理、动量守恒定律和能量守恒定律,知道物体从M点进入圆轨道并恰好能够沿竖直圆轨道运动到最低点,则在M点由重力提供向心力,明确、动量守恒的条件,能灵活选取研究的过程,选用适当的规律进行求解,难度适中.

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