题目内容

如图所示在水平地面上固定一个半径为R的半圆形轨道,其中圆弧部分光滑,水平段长为L,一质量为m的小物块紧靠一根被压缩的弹簧固定在水平轨道的右端,小物块与水平轨道间的动摩擦因数为μ,现突然释放小物块,小物块被弹出,恰好能够到达圆弧轨道的最高点A,取g=10m/s2,且弹簧长度忽略不计,求:
(1)小物块的落点距O′的水平距离;
(2)小物块经过点O′时对轨道的压力;
(3)小物块释放前弹簧具有的弹性势能.
(1)小物块在最高点A位置处,由重力提供向心力,则有:mg=
v2A
R

解得:vA=
gR
①,
然后物块做平抛运动根据平抛运动的规律知
2R=
1
2
gt2
②
x=vAt③
由①②③联解得x=
gR
4R
g
=2R;
(2)在最低点位置O′处,由重力和轨道的支持力的合力提供向心力,则有
N-mg=m
v2
R
④
小物块从最低处O′运动到最高点的过程中,轨道的弹力不做功,物块的机械能守恒,由机械能守恒定律有
1
2
mv2
-
1
2
m
v2A
=mg2R⑤
联立①④⑤解得:N=6mg,
根据牛顿第三定律知对轨道的压力为6mg
(3)弹簧释放到物块到达O′的过程,由动能定理有-μmgL=
1
2
mv2
-Ep
解得:Ep=μmgL+
5
2
mgR
答:
(1)小物块的落点距O′的水平距离为2R;
(2)O′点处小物块对轨道的压力为6mg;
(3)小物块释放前弹簧具有的弹性势能EP为μmgL+
5
2
mgR
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