题目内容

7.如图所示,与水平面的夹角为37°的粗糙倾斜直轨道和光滑半圆轨道CD用极短的光滑小圆弧连接,CD连线是圆轨道竖直方向的直径,可视为质点的滑块从直轨道上高H处由静止滑下,已知滑块的质量m=0.1kg,滑块与倾斜轨道间动摩擦因数μ=0.3,圆轨道的半径R=0.4m.取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8.
(1)若H=3m,求滑块通过C点时速度的大小;
(2)若H=3m,求滑块通过D点时圆轨道对滑块的压力的大小;
(3)若要使滑块能通过D点,H至少为多大?

分析 (1)对滑块从静止到C点过程,运用动能定理,求出滑块通过C点的速度大小.
(2)对滑块从静止到D点的过程运用动能定理,求出D点的速度,根据牛顿第二定律求出轨道对滑块的弹力作用,从而牛顿第三定律求出滑块通过D点时圆轨道对滑块的压力的大小.
(3)根据牛顿第二定律求出D点的最小速度,对全过程运用动能定理求出H的最小值.

解答 解:(1)滑块从静止滑到C过程中,由动能定理有:
mgH-μmgHtan37°=$\frac{1}{2}$mvC2
代入数据解得:vC=6m/s          
(2)滑块从静止到D点过程,由动能定理有:
mgH-2mgR-μmgHtan37°=$\frac{1}{2}$mvD2
在D点,根据牛顿第二定律得:mg+F=$m\frac{{{v}_{D}}^{2}}{R}$
代入数据联立解得:F=4N,
根据牛顿第三定律知,滑块通过D点时圆轨道对滑块的压力的大小为4N.
(3)滑块从静止到D点过程,由动能定理由于:
mgH-2mgR-μmgHtan37°=$\frac{1}{2}$mvD2
在D点,滑块通过轨道的临界条件有:mg=$\frac{m{v}^{2}}{R}$,
代入数据联立解得:H=$\frac{5}{3}m$.
则H至少为$\frac{5}{3}$m.
答:(1)滑块通过C点时速度的大小为6m/s;
(2)滑块通过D点时圆轨道对滑块的压力的大小为4N;
(3)H至少为$\frac{5}{3}m$.

点评 本题考查了动能定理和牛顿第二定律的综合运用,运用动能定理解题关键选择好研究的过程,分析过程中有哪些力做功,然后根据动能定理列式求解.

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