题目内容

2.如图,一水平圆盘绕过圆心的竖直轴转动,圆盘边缘有一质量m=1.0kg的小滑块.当圆盘运动的角速度达到某一数值时,滑块从圆盘边缘滑落,经光滑的过渡圆管进入轨道ABC,已知AB段斜面倾角为53°,BC段斜面倾角为37°,滑块与圆盘及斜面间的动摩擦因数均μ=0.5,圆盘半径R=0.2m,A点离B点所在水平的高度h=1.2m,滑块在运动过程中始终未脱离轨道,不计在过渡圆管处和B点处的机械能损失,最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力,g=10m/s2,sin37°=0.6; cos37°=0.8,求:
(1)当圆盘角速度多大时,滑块从圆盘上滑落?
(2)从静止起到滑块滑离圆盘过程中,摩擦力对滑块做的功;
(3)若取圆盘所在平面为零势能面,求滑块到达B点时的机械能;
(4)滑块到达B点时起在BC面上滑动,经过多长时间在BC面上再次返回B点?

分析 (1)滑块做匀速圆周运动,由指向圆心的静摩擦力提供向心力,静摩擦力随着外力的增大而增大,当滑块即将从圆盘上滑落时,静摩擦力达到最大值,根据最大静摩擦力等于向心力列式求解,可以求出滑块即将滑落的临界角速度;
(2)从静止起到滑块滑离圆盘过程中,根据动能定理求摩擦力对滑块做的功;
(3)先根据机械能的表达式求解出B点的速度,进而求出在B点时的机械能;
(4)对滑块受力分析,分别求出向上滑行和向下滑行的加速度,然后根据运动学位移公式求出时间.

解答 解:(1)滑块在圆盘上做圆周运动时,由静摩擦力充当向心力,当静摩擦力达到最大时滑块开始从圆盘上滑落,根据牛顿第二定律,可得:
    μmg=mω2R
得:ω=$\sqrt{\frac{μg}{R}}$=$\sqrt{\frac{0.5×10}{0.2}}$=5rad/s
(2)滑块在A点时的速度:vA=ωR=5×0.2=1m/s
从静止起到滑块滑离圆盘过程中,根据动能定理得:
摩擦力对滑块做的功 W=$\frac{1}{2}m{v}_{A}^{2}$=$\frac{1}{2}×1×{1}^{2}$=0.5J
(3)滑块在从A到B的运动过程中,由动能定理得:
   mgh-μmgcos53°•$\frac{h}{sin53°}$=$\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}$-$\frac{1}{2}$mvA2 
解得:vB=4m/s     
在B点时的机械能 EB=$\frac{1}{2}$mvB2-mghB=$\frac{1}{2}×1×{4}^{2}$-10×1.2=-4J
(4)滑块沿BC段向上运动时的加速度大小:a1=g(sin37°+μcos37°)=10m/s2
滑块沿BC段向上运动的时间:t1=$\frac{{v}_{B}}{{a}_{1}}$=0.4s
上滑的位移大小为 x1=$\frac{1}{2}{v}_{B}{t}_{1}$=$\frac{1}{2}×4×0.4m$=0.8m
滑块返回时的加速度大小:a2=g(sin37°-μcos37°)=2m/s2    
由 x2=$\frac{1}{2}{a}_{2}{t}_{2}^{2}$,且x2=x1
解得 t2=$\sqrt{0.8}$s
故总时间为 t=t1+t2=$\frac{2}{5}$($\sqrt{5}$+1)s
答:
(1)当圆盘角速度是5rad/s时,滑块从圆盘上滑落.
(2)从静止起到滑块滑离圆盘过程中,摩擦力对滑块做的功是0.5J;
(3)若取圆盘所在平面为零势能面,滑块到达B点时的机械能是-4J;
(4)滑块到达B点时起在BC面上滑动,经过$\frac{2}{5}$($\sqrt{5}$+1)s时间在BC面上再次返回B点.

点评 本题关键把物体的各个运动过程的受力情况和运动情况分析清楚,把握临界条件,然后结合动能定理、牛顿第二定律和运动学公式求解.

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