题目内容

精英家教网如图所示,AB是固定于竖直平面内的
1
4
圆弧形光滑轨道,末端B处的切线方向水平.一物体(可视为质点)P从圆弧最高点A处由静止释放,滑到B端飞出,落到地面上的C点.测得C点与B点的水平距离OC=L,B点距地面的高度OB=h.现在轨道下方紧贴B端安装一个水平传送带,传送带的右端与B点的距离为
L
2
,当传送带静止时,让物体P从A处由静止释放,物体P沿轨道滑过B点后又在传送带上滑行并从传送带的右端水平飞出,仍然落到地面上的C点.求:
(1)物体P与传送带之间的摩擦因数μ.
(2)若在A处给物体P一个竖直向下的初速度,物体P从传送带的右端水平飞出后,落到地面上的D点,求OD的大小.
(3)若驱动轮转动、带动传送带以速度v匀速运动,再把物体P从A处由静止释放,物体P落到地面上,设着地点与O点的距离为x,求出x与传送带上表面速度v的函数关系.
分析:(1)先研究无传送带的情况:物体从B运动到C,做平抛运动,已知h和L,由平抛运动的规律求得物体在B点的速度vB,再研究有传送带的情况:由平抛运动的规律求出物体离开传送带时的速度v1,根据动能定理求得摩擦因数μ.
(2)根据动能定理研究物体离开传送带时的速度,由平抛运动的知识求得OD.
(3)通过物体P滑到底端的速度与传送带的速度进行比较,判断物体P在传送带上的运动情况,得出物体离开传送带的速度,根据平抛运动的知识求出水平位移.
解答:解:(1)无传送带时,物体从B运动到C,做平抛运动,设物体在B点的速度为vB,
由L=vBt;
h=
1
2
gt2,
解得:vB=L
g
2h

当有传送带时,设物体离开传送带时的速度为v1,由平抛规律:
L
2
=v1t

h=
1
2
gt2

解得:v1=L
g
8h
;
由此可知物体滑上传送带时的初速度为vB,末速度为v1,物体的位移为
L
2
,此过程中只有传送带的摩擦力对物体做功,故根据动能定理有:
-μmg
L
2
=
1
2
m
v
2
1
-
1
2
m
v
2
B

代入vB和v1可解得:
μ=
3L
8h
;
(2)设物体离开传送带时的速度为v2,物体从A滑到离开传送带的过程中,只有重力和传送带的摩擦力对物体做功,由动能定理有:
mgR-μmg
L
2
=
1
2
m
v
2
2
-
1
2
m
v
2
0

又物体从A滑至B的过程中有mgR=
1
2
m
v
2
B

所以有:
1
2
m
v
2
B
-
3L
8h
×mg
L
2
=
1
2
m
v
2
2
-
1
2
m
v
2
0

又vB=L
g
2h

可解得:v2=
gL2
8h
+
v
2
0

物体离开传送带后做平抛运动,由题意根据平抛可知
OD=
L
2
+v2t=
L
2
+
gL2
8h
+
v
2
0
2h
g
=
L
2
+
L2
4
+
2h
v
2
0
g
;
(3)物体由静止从P点开始下滑,到达B点的速度vB=L
g
2h
,当物体滑上传送带全程加速时,物体滑离传送带时的速度v2,根据动能定理有:
加速时摩擦力做正功,故有:μmg
L
2
=
1
2
m
v
2
2
-
1
2
m
v
2
B

代入数值可得:v2=
gL2
2h
+
3gL2
8h

所以当传送带的速度v>
gL2
2h
+
3gL2
8h
,物体离开传送带的速度v>
gL2
2h
+
3gL2
8h
,由题意根据平抛运动知识可知:x=
L
2
+v2t
=
L
2
+
L2+
3
4
L2
=
L
2
(1+
7
)

同理有当物体由静止从P点开始下滑,达到B点的速度vB=L
g
2h
,当物体滑上传送带并在全程在摩擦力作用下做减速运动时,物体滑离传送带的时的速度为v1,根据动能定理有:
减速时摩擦力做负功,故有:-μmg
L
2
=
1
2
m
v
2
1
-
1
2
m
v
2
B

代入相应数值可解得:v1=
gL2
8h

所以当传送带速度小于v<
gL2
8h
时,物体滑离传送带时的速度v1=
gL2
8h

所以可知;x=
L
2
+v1t
=
L
2
+
gL2
8h
2h
g
=L

当传送带的速度满足:v1≤v≤v2时,物体在摩擦力作用下离开传送带时的速度大小都为v,
故此时x=
L
2
+v
2h
g

答:(1)物体P与传送带之间的摩擦因数μ=
3L
8h
;
(2)若在A处给物体P一个竖直向下的初速度,物体P从传送带的右端水平飞出后,落到地面上的D点,求OD的大小为
L
2
+
L2
4
+
2h
v
2
0
g
.
(3)若驱动轮转动、带动传送带以速度v匀速运动,再把物体P从A处由静止释放,物体P落到地面上,设着地点与O点的距离为x,求出x与传送带上表面速度v的函数关系为:
x=L              v<
gL2
8h
     
x=
L
2
+v
2h
g
     
gL2
8h
≤v≤
7gL2
8h

x=
L
2
(1+
7
)
      v>
7gL2
8h
点评:本题是机械能守恒、平抛运动,动能定理的综合应用,要具有分析物体运动过程的能力,能分情况全面分析物体的运动情况,要抓住平抛运动的时间由高度决定这一知识点.本题较难,易犯考虑不全面的错误.
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