题目内容

17.如图所示,为一传送装置,其中AB段粗糙,AB段长为L=0.2m,动摩擦因数μ=0.6,BC、DEN段均可视为光滑,且BC的始、末端均水平,具有h=0.1m的高度差,DEN是半径为r=0.4m的半圆形轨道,其直径DN沿竖直方向,C位于DN竖直线上,CD间的距离恰能让小球自由通过.在左端竖直墙上固定有一轻质弹簧,现有一可视为质点的小球,小球质量m=0.2kg,压缩轻质弹簧至A点后由静止释放(小球和弹簧不粘连),小球刚好能沿DEN轨道滑下.求:

(1)小球刚好能通过D点时速度的大小;
(2)小球到达N点时速度的大小,对轨道的压力;
(3)压缩的弹簧所具有的弹性势能.

分析 (1)小球恰好通过D点,由牛顿第二定律求出D点的速度.
(2)从D到N由机械能守恒定律求出到达N点的速度,由牛顿运动定律求小球到达N点时速度的大小对轨道的压力.
(3)从A到C的过程中,由动能定理求出弹簧具有的弹性势能.

解答 解:(1)小球刚好能沿DEN轨道滑下,则在半圆最高点D点必有:
  mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{r}$
则 vD=$\sqrt{gr}$=2m/s
(2)从D点到N点,由机械能守恒得:$\frac{1}{2}$mvD2+mg•2r=$\frac{1}{2}$mvN2                       
代入数据得:vN=2$\sqrt{5}$m/s.
在N点有:N-mg=m$\frac{{v}_{N}^{2}}{r}$
得 N=6mg=12N
根据牛顿第三定律知,小球到达N点时对轨道的压力大小为12N.
(3)弹簧推开小球的过程中,弹簧对小球所做的功W等于弹簧所具有的弹性势能Ep,根据动能定理得
  W-μmgL+mgh=$\frac{1}{2}$mvD2-0          
W=μmgL-mgh+$\frac{1}{2}$mvD2=0.44J          
即压缩的弹簧所具有的弹性势能为0.44J.
答:
(1)小球到达D点时的速度为2m/s;
(2)小球到达N点时速度的大小是2$\sqrt{5}$m/s,对轨道的压力是12N;
(3)压缩的弹簧所具有的弹性势能为0.44J.

点评 本题综合考查了牛顿定律、动能定理和向心力知识的运用,关键要把握D点的临界速度,掌握每个过程的规律.

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