题目内容

6.如图所示,沿直径方向开有一凹槽的圆盘水平放置,可绕过中心O点的竖直轴转动,凹槽内有一根轻质弹簧,弹簧一端固定在O点,另一端连接质量为m的小滑块.弹簧的劲度系数为k、原长为l0,圆盘半径为3l0,槽底与小滑块间的动摩擦因数μ=$\frac{3k{l}_{0}}{5mg}$,凹槽侧面光滑.圆盘开始转动时,弹簧处于原长l0.已知重力加速度为g,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,弹簧始终在弹性限度内,则在圆盘转动过程中:
(1)若要使弹簧不发生形变,求圆盘转动的角速度必须满足的条件;
(2)当弹簧长度为2l0时,若小滑块受到的摩擦力恰好为零,求此时滑块的动能Ek;
(3)当弹簧长度为l(l<3l0)时,滑块相对圆盘静止且转动速度达到最大,求此时滑块的动能Ekm.

分析 (1)弹簧不发生形变时弹力为零,由静摩擦力提供向心力,由牛顿第二定律求角速度的范围.
(2)当弹簧长度为2l0时,小滑块受到的摩擦力恰好为零,由弹簧的弹力提供向心力,由牛顿第二定律求出滑动的速度,从而求得其动能.
(3)当弹簧长度为l(l<3l0)时,由牛顿第二定律求出滑动的速度,再求得滑块的动能.

解答 解:(1)弹簧不发生形变,由静摩擦力提供向心力,由牛顿第二定律得:
μmg≥mω12l0
据题有:μ=$\frac{3k{l}_{0}}{5mg}$
解得:ω1≤$\sqrt{\frac{3k}{5m}}$
(2)小滑块受到的摩擦力为零时,由弹簧的弹力提供向心力,则由牛顿第二定律得:
k(2l0-l0)=m$\frac{{v}^{2}}{2{l}_{0}}$
此时滑块的动能为:Ek=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
解得:Ek=kl02.
(3)当弹簧的长度为l时且l<3l0,最大动能为Ekm,则有:
k(l-l0)+μmg=m$\frac{{v}_{m}^{2}}{l}$
且有:Ekm=$\frac{1}{2}m{v}_{m}^{2}$
解得:Ekm=$\frac{kl}{2}({l-\frac{2}{5}{l_0}})$
答:(1)若要使弹簧不发生形变,圆盘转动的角速度必须满足的条件是ω≤$\sqrt{\frac{3k}{5m}}$;
(2)当弹簧长度为2l0时,若小滑块受到的摩擦力恰好为零,此时滑块的动能Ek是kl02;
(3)当弹簧长度为l(l<3l0)时,滑块相对圆盘静止且转动速度达到最大,此时滑块的动能Ekm是$\frac{kl}{2}({l-\frac{2}{5}{l_0}})$.

点评 解决本题的关键知道物块做圆周运动向心力的来源,抓住临界状态,结合牛顿第二定律和胡克定律进行求解.

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