题目内容

16.2015年秋季,高三(5)班来到浙江正和造船有限公司参加社会实践活动,某同学对如图所示的工业模型产生了浓厚兴趣.测量后,获得如下信息:轨道AB部分水平粗糙,长S0=2m,竖直半圆轨道BDC光滑,半径R=0.1m,两轨道相切于B点,C处固定一弹性挡板(物块与其发生碰撞后会原速率弹回).质量为m=1kg小物块(视为质点)置于轨道的左端A处,该同学给小物块施加一水平向的恒力F=5.5N,使其向右运动,到达B处时将力撤去,发现小物上升到与圆心O等高的D点,后再沿轨道滑下.当重力加速度为10m/s2,在小物块个过程中工业模型始终不动.求:
(1)小物块与水平轨道间的动摩擦因数;
(2)小物块再次滑到B点时对圆弧轨道的压力大小;
(3)现增大恒力F,为使小物块始终不脱离轨道,则F应满足什么条件?

分析 (1)根据动能定理列式求解
(2)根据动能定理和向心力公式即可求出最低点的压力
(3)根据向心力公式求出恰能到最高点的速度,根据动能定理求出F的最小值,从而得出结果

解答 解:(1)从A→D根据动能定理得:$F{s}_{0}^{\;}-μmg{s}_{0}^{\;}-mgR=0-0$
代入数据解得:μ=0.5
(2)从D→B根据动能定理得:$mgR=\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}-0$
解得:${v}_{B}^{\;}=\sqrt{2gR}=\sqrt{2}m/s$
在B点根据向心力公式得:${F}_{N}^{\;}-mg=m\frac{{v}_{B}^{2}}{R}$
代入数据得:${F}_{N}^{\;}=30N$
根据牛顿第三定律得小物块再次滑到B点时对圆弧轨道的压力大小为30N
(3)小物块始终不脱离轨道,能到达最高点的最小速度${v}_{C}^{\;}$,根据牛顿第二定律得:$mg=m\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$
解得:${v}_{C}^{\;}=\sqrt{gR}=1m/s$
从A→C根据动能定理得:$F{S}_{0}^{\;}-μmg{S}_{0}^{\;}-mg2R=\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}-0$
代入数据解得:F=4.75N
增大恒力F,为使小物块始终不脱离轨道,则F应满足条件F≥4.75N
答:(1)小物块与水平轨道间的动摩擦因数0.5;
(2)小物块再次滑到B点时对圆弧轨道的压力大小为30N;
(3)现增大恒力F,为使小物块始终不脱离轨道,则F应满足条件F≥4.75N

点评 审题时要注意工业模型始终不动,恰能到达最高点的速度$v=\sqrt{gR}$,本题重点考查动能定理的应用,关键是选择研究过程,明确初末状态.

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