题目内容

19.如图甲所示,质量为1kg的滑块(可视为质点)在离地面高h=1m的A点沿光滑弧形轨道以初速度v0=4m/s开始下滑,通过水平轨道BC后,再沿着光滑的半圆轨道运动.已知滑块与水平轨道BC间的动摩擦因数μ=0.10,半圆轨道半径为R,且C、O、D三点在同一竖直线上,设水平轨道长BC=x,所有轨道均平滑连接,不计空气阻力,g取10m/s2.求:

(1)若x=2m,则滑块到达C点的动能是多大?
(2)若滑块经过D点时对圆轨道的压力FD与水平轨道长x之间关系图象如图乙所示,则光滑半圆轨道的半径是多大?
(3)在满足(2)问的情况下,滑块离开D点后作平抛运动,落地点(图中未标出)离C点的距离为水平轨道BC总长x的$\frac{\sqrt{2}}{3}$倍,求此情况下水平轨道BC总长x.

分析 (1)研究滑块从A到C的过程,由动能定理可以求出滑块到达C点的动能;
(2)对A到D,由动能定理求出滑块到达D点的速度.在D点,由牛顿运动定律和向心力公式求出轨道半径;
(3)滑块离开D点后做平抛运动,由平抛运动知识和向心力公式求出轨道长度.

解答 解 (1)A到C过程,由动能定理得:
mgh-μmgx=Ekc-$\frac{1}{2}$mv02,
带入数据解得:Ekc=16J;
(2)设滑块到达D点的速度大小为vD,轨道对其压力为FD′,A到D过程,由动能定理得:
mgh-μmgx-mg•2R=$\frac{1}{2}$mvD2-$\frac{1}{2}$mv02,
在D点,由牛顿第二定律得:FD+mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{R}$
根据牛顿第三定律可知,即FD=FD′
由图乙可知,FD=22-4x
代入上面两式,解得:R=0.5m;
(3)滑块离开D点后做平抛运动,设在空中飞行的时间为t,
水平方向:$\frac{\sqrt{2}}{3}$x=vDt,
竖直方向:2R=$\frac{1}{2}$gt2,
将FD′+mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{R}$,FD=22-4x,R=0.5m,代入上面两式得:5x2+9x-72=0,
解得水平轨道BC总长为:x=3m;
答:(1)若x=2m,则滑块到达C点的动能是16J;
(2)光滑半圆轨道的半径是0.5m;
(3)此情况下水平轨道BC总长为3m.

点评 本题是一道力学综合题,分析清楚滑块的运动过程是正确解题的前提与关键,应用动能定理、牛顿第二定律、平抛运动规律即可正确解题.

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