题目内容

如图所示,光滑的水平导轨MN右端N处与水平传送带理想连接,传送带长度L=0.8m,皮带以恒定速率v=3.0m/s向右匀速运动.传送带的右端处平滑连接着一个在竖直平面内、半径为R=0.4m的光滑半圆轨道PQ,两个质量均为m=0.2kg的滑块A、B置于水平导轨MN上,开始时滑块A、B之间用细绳相连,其间有一压缩的轻弹簧,系统处于静止状态.现使细绳断开,弹簧伸展,滑块B脱离弹簧后滑上传送带,从右端滑出并沿半圆轨道运动到最高点Q后水平飞出,又正好落回N点.已知滑块B与传送带之间的动摩擦因数μ=,取g=10m/s2.求:
(1)滑块B到达Q点时速度的大小;
(2)滑块B在半圆轨道P处对轨道的压力;
(3)压缩的轻弹簧的弹性势能Ep.

【答案】分析:(1)据题意,滑块B从Q处飞出后做平抛运动,根据平抛运动的规律,由高度2R和水平位移L求解滑块B到达Q点时速度的大小;
(2)滑块B从P运动到Q过程中,只有重力做功,机械能守恒,即可求出它经过B点的速度,在P点由重力和支持力的合力提供其向心力,根据牛顿运动定律求解滑块B在半圆轨道P处对轨道的压力;
(3)根据滑块B到达P点的速度与传送带速度的关系,分析滑块B在传送带上的运动情况,由牛顿牛顿第二定律和运动学公式求出滑块B在弹簧伸展后的速度.细绳断开,弹簧伸展的过程,B、A、弹簧系统动量守恒和机械能守恒,即可求解压缩的轻弹簧的弹性势能Ep.
解答:解:(1)滑块B从Q飞出后做平抛运动,有:
  L=vQt…①
 2R=…②
由①②解得vQ=2m/s
(2)滑块B从P运动到Q过程中,满足机械能守恒,则有:
  +2mgR=…③
在Q点有:N-mg=m…④
由③④解得:N=5mg+m=12N
(3)由③得:vP==2m/s
则有vP>v=3m/s,滑块B在皮带上做匀减速运动
加速度a=-=-μg
又-=2aL
细绳断开后弹簧伸展过程,A、B组成的系统动量守恒:mvN=mvA,
弹簧的弹性势能EP==5J
答:
(1)滑块B到达Q点时速度的大小是2m/s;
(2)滑块B在半圆轨道P处对轨道的压力是12N;
(3)压缩的轻弹簧的弹性势能Ep是5J.
点评:本题综合了牛顿运动定律、平抛运动、机械能守恒定律、动量守恒定律等多方面的知识,分析过程,把握解题规律是关键.难度适中.
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