题目内容

1.如图所示,半径为R的光滑半圆形轨道ABC在竖直平面内,与水平轨道CD相切于C点,D端有一被锁定的轻质压缩弹簧,弹簧左端连接在固定的挡板上,弹簧右端Q到C点的距离为3R.质量为m的滑块(视为质点)从轨道上的P点由静止滑下,刚好能运动到Q点,并能触发弹簧解除锁定,然后滑块被弹回,且从A点抛出后刚好能通过落到Q点.已知∠POC=60°,求:
(1)滑块第二次滑至圆形轨道最低点C时对轨道压力;
(2)弹簧被锁定时具有的弹性势能.

分析 (1)由P到C的过程根据动能定理求解滑至C点时的速度,根据牛顿第二定律求解支持力;
(2)分别对PQ和Q到C到A的过程根据能量守恒列式,联立即可求得弹簧的弹性势能.

解答 解:(1)设滑块第一次滑至C点时的速度为vC,圆轨道C点对滑块的支持力为FN,由C到A的过程,由机械能守恒可得:
$\frac{1}{2}$mvA2=$\frac{1}{2}$mgR=$\frac{1}{2}$mvC2
竖直方向上有:2R=$\frac{1}{2}$gt2;
水平方向3R=vAt
C点:FN-mg=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$,
代入数据解得:FN=$\frac{29mg}{4}$
由牛顿第三定律得:滑块对轨道C点的压力大小F′N=2mg,方向竖直向下;
(2)对PQ过程克服摩擦力做功为Wf,由动能定理得:
mgR(1-cos60°)-Wf=0
Q经C到A过程,根据能量的转化和守恒可知:
EP=$\frac{1}{2}$mvA2+mg×2R+Wf
联立以上两式解得:EP=$\frac{29}{8}$mgR;
答:(1)滑块第一次滑至圆形轨道最低点C时对轨道压力是$\frac{29mg}{4}$;
(2)弹簧被锁定时具有的弹性势能是$\frac{29}{8}$mgR.

点评 本题综合考查了动能定理和能量守恒定律,解决本题的关键灵活选取研究的过程,选用适当的规律进行求解;注意功能关系的正确应用.

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