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7.轻质弹簧原长为2L,将弹簧竖直放置在地面上,在其顶端将一质量为5m的物体由静止释放,当弹簧被压缩到最短时,弹簧长度为L.现将该弹簧水平放置,一端固定在A点,另一端与物块P接触但不连接.AB是长度为5L的水平轨道,B端与半径为L的光滑半圆轨道BCD相切,半圆的直径BD竖直,如图所示.物块P与AB间的动摩擦因数μ=0.5.用外力推动物块P,将弹簧压缩至长度为L处,然后释放,P开始沿轨道运动,重力加速度为g.
(1)弹簧长度为L时的弹性势能;
(2)若P的质量为m,求P到达B点时速度的大小;
(3)它到达最高点时对轨道的压力及离开圆轨道后落回AB上的位置与B点间的距离.

分析 (1)对弹簧竖直放置时物体下落过程应用机械能守恒即可求得弹性势能;
(2)对P从释放到B的运动过程应用动能定理即可求解;
(3)根据机械能守恒求得在D点的速度,即可由牛顿第二定律求得支持力,进而由牛顿第三定律求得压力;然后由平抛运动规律求得水平位移.

解答 解:(1)物体下落过程只有重力、弹簧弹力做功,故机械能守恒,那么,弹簧长度为L时的弹性势能为:
Ep=5mgL;
(2)物块P从弹簧压缩至长度为L处释放到B的运动过程只有弹簧弹力和摩擦力做功,故由动能定理可得:
${E}_{p}-μmg•5L=\frac{1}{2}m{{v}_{B}}^{2}$;
所以,P到达B点时速度的大小为:
${v}_{B}=\sqrt{\frac{{E}_{p}-2.5mgL}{\frac{1}{2}m}}=\sqrt{5gL}$;
(3)物块P在圆轨道上运动只有重力做功,机械能守恒,故有:$\frac{1}{2}m{{v}_{B}}^{2}=\frac{1}{2}m{{v}_{D}}^{2}+2mgL$
解得:${v}_{D}=\sqrt{gL}$;
那么,对物块P在D点应用牛顿第二定律可得支持力为:${F}_{N}=\frac{m{{v}_{D}}^{2}}{L}-mg=0$,故由牛顿第三定律可得:它到达最高点时对轨道的压力为零;
物块P离开圆轨道后做平抛运动,那么有:
$2L=\frac{1}{2}g{t}^{2}$
$x={v}_{D}t=\sqrt{gL}•\sqrt{\frac{4L}{g}}=2L$
所以,离开圆轨道后落回AB上的位置与B点间的距离为2L;
答:(1)弹簧长度为L时的弹性势能为5mgL;
(2)若P的质量为m,那么P到达B点时速度的大小为$\sqrt{5gL}$;
(3)它到达最高点时对轨道的压力为零,离开圆轨道后落回AB上的位置与B点间的距离为2L.

点评 经典力学问题一般先对物体进行受力分析,求得合外力及运动过程做功情况,然后根据牛顿定律、动能定理及几何关系求解.

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