题目内容

5.如图所示,质量为M=3kg的小车静止在光滑水平面上,其中AB段时半径为R=2.4m的四分之一圆弧光滑轨道,BC段是一段长为L=2m的水平粗糙轨道,两段轨道相切于B点,一质量为m=1kg的滑块在小车上从A点由静止开始沿轨道滑下,滑块与小车水平部分的动摩擦因数μ=0.3,重力加速度为g=10m/s2,求:
(1)若小车固定,滑块运动过程中对小车的最大压力多大?
(2)若小车不固定,滑块仍从A点由静止下滑,然后滑入BC轨道,最后从C点滑出小车,则滑块运动过程中,小车的最大速度大小是多少?
(3)在第(2)题中,滑块从B到C运动过程中,小车的位移大小是多少?

分析 (1)滑块运动B点时对小车的压力最大,由动能定理可以求出滑块到达B点的速度,在B点,应用牛顿第二定律可以求出轨道对滑块的支持力,再由牛顿第三定律求得压力.
(2)滑块在圆弧上下滑的过程中,小车做加速运动,滑块运动到B点后小车开始做减速运动,所以当滑块刚滑到B点时小车的速度最大,由系统水平方向动量守恒和机械能守恒结合求解小车的最大速度.
(3)滑块从B到C运动过程中,对小车和滑块分别运用动能定理列式,运用动量守恒定律列式,可求得小车的位移大小.

解答 解:(1)当滑块到达B时的速度最大,受到的支持力最大,滑块对小车的压力最大;
滑块沿圆弧下滑的过程,由机械能守恒得:
   mgR=$\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}$
滑块在B点时,由轨道的支持力与重力的合力提供向心力,得:
   N-mg=m$\frac{{v}_{B}^{2}}{R}$
解得:N=3mg
由牛顿第三定律得:滑块对小车的压力:N′=N=3mg=3×1×10N=30N
即滑块运动过程中对小车的最大压力是30N.
(2)当滑块刚滑到B点时小车的速度最大,设为v1,此时小车的速度为vm.
取水平向右为正方向,由系统水平方向动量守恒得
    0=mv1+Mvm.
由系统的机械能守恒得:
  mgR=$\frac{1}{2}$mv12+$\frac{1}{2}$Mvm2.
解得:v1=6m/s,vm=2m/s
所以小车的最大速度大小是2m/s.
(3)设滑块刚滑到C点时滑块和小车的速度分别为v2和v3.
整个过程中,系统水平方向动量守恒,则得 0=mv2+Mv3.
由系统的能量守恒得:
  mgR=$\frac{1}{2}$mv12+$\frac{1}{2}$Mv32+μmgL
设滑块从B到C运动过程中,小车的位移大小是x,对小车,根据动能定理得
-μmgx=$\frac{1}{2}$Mv32-$\frac{1}{2}$Mvm2.
联立解得 v2=-3$\sqrt{3}$m/s,v3=$\sqrt{3}$m/s,x=0.5m
答:
(1)若小车固定,滑块运动过程中对小车的最大压力是30N.
(2)滑块运动过程中,小车的最大速度大小是2m/s.
(3)滑块从B到C运动过程中,小车的位移大小是0.5m.

点评 本题主要考查系统水平方向动量守恒和能量守恒的问题,要正确分析能量的转化情况,注意滑块在圆弧上下滑的过程,系统水平方向运量守恒,但总动量并不守恒.

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(2)某同学想利用图乙中所提供的器材,设计出一个以热敏电阻为传感器的简易报警器(当温度过高时,电铃会响铃报警).将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,干簧继电器两个簧片处于分离状态,电铃不响;当环境温度超过某一值时,干簧管继电器两个簧片将处于闭合状态,电铃响.
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