Question

2．如图所示，某工厂需将质量m₁=100kg的货物（可视为质点）从高处运送至地面，为避免货物与地面发生撞击，现利用固定于地面的光滑四分之一圆轨道，使货物由轨道顶端无初速度滑下，轨道半径R=2.45m．地面上紧靠轨道依次排放两块完全相同的木板A、B，长度均为L=3m，质量均为m₂=60kg，木板上表面与轨道末端相切．货物与木板间的动摩擦因数为μ₁，木板与地面间的动摩擦因数μ₂=0.2．（最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，取g=10m/s²）
（1）求货物到达圆轨道末端时对轨道的压力；
（2）若货物滑上木板A时，木板不动，而滑上木板B时，木板B开始滑动，求μ₁应满足的条件；
（3）若μ₁=0.4，求货物在A、B板上发生相对滑动的总时间．

Answer 1

分析 （1）物体下滑的过程中，机械能守恒，根据机械能守恒可以得出到达底端时的速度，再由向心力的公式可以求得物体受到的支持力的大小，根据牛顿第三定律可以得到货物到达圆轨道末端时对轨道的压力大小；
（2）货物滑上木板A时，木板不动，说明此时货物对木板的摩擦力小于或等于地面对木板的摩擦力的大小，而滑上木板B时，木板B开始滑动，说明此时货物对木板的摩擦力大于地面对木板B的摩擦力的大小，由此可以判断摩擦因数μ₁的范围．
（3）当μ₁=0.4时，由（2）可知，货物在木板A上滑动时，木板不动，货物做的是匀减速直线运动，位移是木板的长度L，由匀变速直线运动的规律可以求得．

解答 解：（1）解：（1）设货物滑到圆轨道末端时的速度为v₁，对货物的下滑过程中根据机械能守恒定律得：
${m}_{1}gR=\frac{1}{2}{m}_{1}{v}_{1}^{2}$
设货物在轨道末端所受支持力的大小为F_N，根据牛顿第二定律得：
 ${F}_{N}-{m}_{1}g={m}_{1}\frac{{v}_{1}^{2}}{R}$                   
解得：F_N=3000N                  
由牛顿第三定律得货物到达圆轨道末端时对轨道的压力为3000N；
（2）要使货物在A上方时木板不滑动，应该有：
μ₁m₁g＜μ₂（m₁+2m₂）g
解得：μ₁＜0.44
要使货物在B上方时木板滑动，应该有：
μ₁m₁g＞μ₂（m₁+m₂）g
解得：μ₁＞0.32
则μ₁应满足的条件0.32＜μ₁＜0.44；
（3）μ₁=0.4，由上问可得，货物在木板A上滑动时，木板不动，设货物在木板A上做减速运动时的加速度大小为a₁
由牛顿第二定律得：μ₁m₁g=m₁a₁
设货物滑到木板A末端时的速度为v₂，由运动学公式得：
${v}_{2}^{2}-{v}_{1}^{2}=-2{a}_{1}L$
解得v₂=5m/s
设在木板A上运动的时间为t₁，由运动学公式得：
v₂=v₁-a₁t₁
解得：t₁=0.5s；
接着滑到木板B上，由牛顿第二定律得
μ₁m₁g-μ₂（m₁+m₂）g=m₂a₂
设在木板B上运动的时间为t₂，由运动学公式得：
v₃=v₂-a₁t₂=a₂t₂
解得t₂=$\frac{15}{16}s$
货物在A、B板上发生相对滑动的总时间
$t={t}_{1}+{t}_{2}=\frac{23}{16}s$
答：（1）货物到达圆轨道末端时对轨道的压力为3000N；
（2）若货物滑上木板A时，木板不动，而滑上木板B时，木板B开始滑动，μ₁应满足的条件0.32＜μ₁＜0.44；
（3）若μ₁=0.4，货物在A、B板上发生相对滑动的总时间为$\frac{23}{16}s$．

点评 本题考查了机械能守恒、圆周运动和牛顿运动定律的应用，特别需要注意的是货物在水平面上运动时木板的运动状态，由于是两块木板，所以货物运到到不同的地方时木板的受力不一样．