题目内容

【题目】如图所示,导轨ABC由长度为l=2m的水平部分与竖直面内半径为1米的四分之一圆弧构成,水平部分粗糙,圆弧部分光滑。现将质量为m=2kg大小可忽略的物块放于导轨上A处,木块与直导轨部分动摩擦因素为μ=,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。现对物块施加一水平向右的恒力F,物块运动到C点时速度刚好为零。(取g=10m/s2)求:

(1)施加的水平恒力F为多大;

(2)物块对圆弧轨道的最大压力FN;

(3)全过程物块在AB上经过的路程。

【答案】(1)15N (2)45N (3)2.4m

【解析】

(1)物块A到C的过程由动能定理有

0-0=F(l+R)+(-mgR)+(-μmgl)

解得

F== 15N

(2)物块从B到C的过程,设任意位置其与圆心连线与竖直方向夹角为,从A到此位置出动能定理有

由此可得速度v2与的关系为

v2=15sin+20cos-15

令

cos=, sin=

即 =53°上式可化简为

v2 =25sin(+)-15

当

+=90°

即=37°时速度有最大值,此时

v2=10m2/s2

此时物块对轨道压力最大,由牛顿第二定律

F′N-Fsin-mgcos=m

其中

sin=sin37°=, cos =cos37°=

解得

F′N=45N

由牛顿第三定律可知,物块对圆轨道的最大压力为

FN=F′N=45N

(3)最终物块将在此位置附近做往复运动,由于=37°<45°,由对称性可判定,物块会再次滑上AB,多次往复,最终在平衡位置两侧B点与B点对称处往复运动,vB=0整个过程由动能定理

0-0= Fl+(-μmgs路程)

s路程==2.4m

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