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精英家教网如图所示,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,弹簧处于自然状态时其右端位于B点.水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP,其形状为半径R=0.8m的圆环剪去了左上角135°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离也是R.用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点.用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧也缓慢压缩到C点释放,物块过B点后其位移与时间的关系为x=8t-2t2,物块从桌面右边缘D点飞离桌面后,由P点沿圆轨道切线落入圆轨道.g=10m/s2,求:
(1)BP间的水平距离;
(2)判断m2能否沿圆轨道到达M点;
(3)释放后m2在水平桌面上运动过程中克服摩擦力做的功.
分析:(1)物块由D点做平抛运动,根据平抛运动的基本公式求出到达D点的速度,根据物块过B点后其位移与时间的关系得出初速度和加速度,进而根据位移-速度公式求出位移;
(2)物块在内轨道做圆周运动,在最高点有临界速度,则mg=m
vM2
R
,根据机械能守恒定律,求出M点的速度,与临界速度进行比较,判断其能否沿圆轨道到达M点.
(3)由能量转化及守恒定律即可求出m2释放后在桌面上运动的过程中克服摩擦力做的功.
解答:解:(1)设物块由D点以vD做平抛,
落到P点时其竖直速度为:vy=
2gR

根据几何关系有:
vy
vD
=tan45°
解得:vD=4m/s
设平抛运动时间为t,水平位移为x1,根据平抛运动规律:R=
1
2
gt2,x1=vDt
解的:x1=1.6m
由题意可知过B点后初速度为v0=8m/s,加速度大小a=4m/s2,减速到vD
BD间位移为x2,有v02-vD2=2ax2,得:x2=6m
所以BP间水平距离为x=x1+x2=1.6+6=7.6m
(2)设物块到达M点的临界速度为vM,有:
1
2
m2vM2
=
1
2
m2vD2-
2
2
m2gR
解的:vM=
16-8
2
<
gR
=
8

所以物块不能到达M点.
(3)设弹簧长为AC时的弹性势能为EP,物块与桌面间的动摩擦因数为μ,
释放m1时,EP=μm1gsCB
释放m2时,EP=μm2gsCB+
1
2
m2v02
且m1=2m2,
可得:Ep=7.2Jm2释放后在桌面上运动过程中克服摩擦力做功为Wf,
则由能量转化及守恒定律得可得Wf=EP-
1
2
m2vD2=5.6J
答:(1)BD间的水平距离为7.6m;
(2)m2不能否沿圆轨道到达M点;
(3)m2释放后在桌面上运动的过程中克服摩擦力做的功为5.6J.
点评:该题涉及到多个运动过程,主要考查了机械能守恒定律、平抛运动基本公式、圆周运动向心力公式的应用,用到的知识点及公式较多,难度较大,属于难题.
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