题目内容

1. 如图所示,水平地面上固定有表面光滑的长平台AB和长L=2m、高h=0.8m的水平桌子PG,有一竖直放置、内壁光滑的细薄钢管BCDEF分别与平台和桌面相切于B点和F点,CDE部分为半径R=0.4m的$\frac{3}{4}$圆弧,管道最高点D到平台AB上表面的距离为H=1.5m,平台上的轻质弹簧左端固定在A点,现用质量m=0.1kg的小滑块(可视为质点,且与弹簧不栓接)将弹簧压缩到P点,释放后滑块与弹簧分离并沿平台表面进入钢管,从上管口出来后滑上桌面,最终从桌面右边缘G点飞离,落地时速度方向恰与水平地面成θ=45°.已知滑块到达$\frac{3}{4}$圆弧轨道最低点E时对管壁的压力大小为滑块自身重力的10倍,不计空气阻力,g取10m/s2.
(1)滑块从G点飞出时的速度v0;
(2)滑块与水平桌面间的动摩擦因数μ;
(3)滑块到达$\frac{3}{4}$圆弧轨道最高点D时对管壁的压力大小和方向;
(4)求出滑块在P点时对弹簧具有的弹性势能的大小.

分析 (1)滑块从G点飞出后做平抛运动,由下落的高度求出落地时竖直分速度.根据滑块时的速度方向求出滑块从G点飞出时的速度v0;
(2)根据滑块经过E点的受力情况,由牛顿第二定律和向心力公式求出滑块通过E点的速度.再对EG过程,运用动能定理求出动摩擦因数μ;
(3)滑块从D到E的过程,运用机械能守恒定律求出滑块经过D点的速度.在D点,由合力提供向心力,由牛顿定律求滑块对管壁的压力;
(4)滑块从P点释放到D点的过程,运用机械能守恒定律求弹簧原来具有的弹性势能.

解答 解:(1)滑块从G点飞出后做平抛运动,由平抛运动的规律得滑块落地时竖直分速度大小为:vy=$\sqrt{2gh}$=$\sqrt{2×10×0.8}$=4m/s
滑块落地时速度方向恰与水平地面成θ=45°,由几何关系可知,滑块从G点飞出时的速度为:v0=vy=4m/s
(2)滑块到达$\frac{3}{4}$圆弧轨道最低点E时,根据牛顿第二定律得:N-mg=m$\frac{{v}_{E}^{2}}{R}$
据题有:N=10mg
滑块从E到G的过程中,运用动能定理得:-μmgL=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{E}^{2}$
联立解得:μ=0.5
(3)滑块从D到E的过程,由机械能守恒定律得:
mg•2R+$\frac{1}{2}m{v}_{D}^{2}$=$\frac{1}{2}m{v}_{E}^{2}$
解得:vD=2$\sqrt{5}$m/s>$\sqrt{gR}$=2m/s
所以在D点时,轨道对滑块的弹力方向竖直向下
在D点,对滑块由牛顿第二定律得:FN+mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{R}$
解得:FN=4N
由牛顿第三定律知,滑块到达$\frac{3}{4}$圆弧轨道最高点D时对管壁的压力大小 FN′=FN=4N,方向竖直向上.
(4)对弹簧和滑块系统,从P点释放到滑块到达D点的过程中,由机械能守恒定律得:
EP=mgH+$\frac{1}{2}m{v}_{D}^{2}$
解得:EP=2.5J
答:(1)滑块从G点飞出时的速度v0是4m/s.
(2)滑块与水平桌面间的动摩擦因数μ是0.5.
(3)滑块到达$\frac{3}{4}$圆弧轨道最高点D时对管壁的压力大小是4N,方向竖直向上.
(4)求出滑块在P点时对弹簧具有的弹性势能的大小是2.5J.

点评 本题的关键要滑块的运动情况,明确滑块的运动规律,然后分阶段研究.对于圆周运动,要知道向心力来源于指向圆心的合力,运用牛顿第二定律可研究某个状态,而两个状态之间的关系可根据机械能守恒定律研究.

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