题目内容

1.如图所示,将直径为2R的半圆形轨道固定在竖直平面内的A、B两点,直径与竖直方向的夹角为60°,O为半圆形导轨的圆心,D为O点正下方导轨上的点.在导轨上套一质量为m的小圆环,原长为2R、劲度系数k=$\frac{mg}{8R}$的弹性轻绳穿过圆环且两端固定在A、B两点,已知弹性轻绳始终在弹性限度内,重力加速为g,将圆环从A点正下方的C点由静止释放.
(1)如果导轨是光滑的,求圆环到达D点时的速度大小和导轨对圆环的作用力的大小;
(2)如果导轨是粗糙的,圆环与导轨间的动摩擦因数为μ,已知圆环运动到D点时恰好只有向心加速度,求圆环由C点运动到D点过程中克服摩擦力做的功.

分析 (1)从C到D过程,由机械能守恒定律可以求出圆环到达D点时的速度;圆环做圆周运动,由牛顿第二定律可以求出在D点导轨对圆环的作用力.
(2)如果导轨是粗糙的,圆环运动到D点时恰好只有向心加速度,没有切向加速度,根据向心力公式和切向合力为零分别列式,求出D点的速度,再由动能定理求圆环由C点运动到D点过程中克服摩擦力做的功.

解答 解:(1)如图所示,由几何知识得,圆环在C点、D点时,弹性绳形变量相同,弹性势能相等.
圆环从C到D过程中,由机械能守恒定律得:mgh=$\frac{1}{2}$mv2
由几何关系可知:h=$\frac{1}{2}$R
解得:v=$\sqrt{gR}$;
圆环在D点受力如图,弹性绳的弹力:F=kx,其中:x=($\sqrt{3}$-1)R
在D点,由牛顿第二定律得:
FN+Fcos60°+Fsin60°-mg=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
解得:FN=$\frac{15}{8}$mg;
(2)设圆环运动到D点的速度为vD.
据题在D点切向合力为零,则有:
f+Fcos60°=Fsin60°
且Fcos60°+Fsin60°+FN-mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{R}$
又 f=μFN
从C到D,由动能定理得:mgh-Wf=$\frac{1}{2}$mvD2
联立以上四式解得:Wf=$\frac{11-2\sqrt{3}}{16}$mgR
答:
(1)圆环到达D点时的速度大小是$\sqrt{gR}$;导轨对圆环的作用力的大小是$\frac{15}{8}$mg;
(2)圆环由C点运动到D点过程中克服摩擦力做的功是$\frac{11-2\sqrt{3}}{16}$mgR.

点评 本题考查了求圆环的速率、轨道对圆环的作用力,应用机械能守恒定律与牛顿第二定律即可正确解题;本题的难点,也是本题解题的关键是:应用数学知识气促C、D两点间的高度差、求出弹性绳的形变量.

练习册系列答案
相关题目

违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com

精英家教网