题目内容
如图所示,水平光滑地面上停放着一辆小车,左侧靠在竖直墙壁上,小车的四分之一圆弧轨道AB是光滑的,在最低点B与水平轨道BC相切,BC的长度是圆弧半径的10倍,整个轨道处于同一竖直平面内。可视为质点的物块从A点正上方某处无初速下落,恰好落入小车圆弧轨道滑动,然后沿水平轨道滑行至轨道末端C处恰好没有滑出。已知物块到达圆弧轨道最低点B时对轨道的压力是物块重力的9倍,小车的质量是物块的3倍,不考虑空气阻力和物块落入圆弧轨道时的能量损失(g=10m/s2)。求:
(1)物块开始下落的位置距水平轨道BC的竖直高度是圆弧半径的几倍;
(2)物块与水平轨道BC间的动摩擦因数μ。
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(1)设物块的质量为m,其开始下落处的位置距BC的竖直高度为h,到达B点速度为v,小车圆弧轨道半径为R。由机械能守恒定律,有:mgh =
mv2--(2分)
根据牛顿第二定律,有:9mg-mg=m
--------------------------(3分)
解得h=4R---------------------------------------------------(2分)
则物块开始下落的位置距水平轨道BC的竖直高度是圆弧半径的4倍。
(2)设物块与BC间的滑动摩擦力的大小为F,物块滑到C点时与小车的共同速度为v',物块在小车上由B运动到C的过程中小车对地面的位移大小为s,依题意,小车的质量为3m,BC长度为10R。由滑动摩擦定律有: F=μmg---------(1分)
由动量守恒定律,有mv=(m+3m)v' ------------------------------(3分)
对物块、小车分别应用动能定理,有
-F(10R+s)=
mv'2 -
mv2 ---------------------------------(3分)
Fs=
(3m)v'2-0 ----------------------------------------(3分)
μ=0.3------------------------------------------------(3分)