题目内容

一轻质细绳一端系一质量为m=kg的小球A,另一端挂在光滑水平轴O上,O到小球的距离为L=0.1 m,小球跟水平面接触,但无相互作用,在球的两侧等距离处分别固定一个光滑的斜面和一个挡板,如图所示,水平距离s为2 m,动摩擦因数为0.25.现有一小滑块B,质量也为m,从斜面上滑下,与小球碰撞时交换速度,与挡板碰撞不损失机械能.若不计空气阻力,并将滑块和小球都视为质点,g取10 m/s2.试问:

(1)若滑块B从斜面某一高度h处滑下与小球第一次碰撞后,使小球恰好在竖直平面内做圆周运动,求此高度h.

(2)若滑块B从h=5 m处滑下,求滑块B与小球第一次碰后瞬间绳子对小球的拉力.

(3)若滑块B从h=5 m处下滑与小球碰撞后,小球在竖直平面内做圆周运动,求小球做完整圆周运动的次数.

(1)小球恰能完成一次完整的圆周运动,它到最高点的速度为v1,在最高点,仅有重力提供向心力,则有mg=m①

在小球从最低点运动到最高点的过程中,机械能守恒,并设小球在最低点速度为v,则又有

mv2=mg·2L+mv12②

解①②得v= m/s

滑块从h高处运动到将与小球碰撞时速度为v,对滑块由能量转化及守恒定律有

mgh=μmg·+mv2

因碰撞后速度交换v=m/s,解上式有h=0.5 m.

(2)若滑块从h=5 m处下滑到将要与小球碰撞时速度为u,同理有

mgh=mu2+μmg·③

解得u= m/s

滑块与小球碰后的瞬间,同理滑块静止,小球以u= m/s的速度开始做圆周运动,绳的拉力T和重力的合力充当向心力,则有T-mg=m ④解④式得T=48 N.

(3)滑块和小球最后一次碰撞时速度为v= m/s,滑块最后停在水平面上,它通过的路程为s′,同理有

mgh=mv2+μmgs′⑤                                

小球做完整圆周运动的次数为n=+1⑥                         

解⑤⑥得s′=19 m,n=10次.

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