Question

6．如图甲所示，水平传送带以5.0m/s恒定的速率运转，两皮带轮之间的距离l=6.0m，皮带轮的半径大小可忽略不计．沿水平传送带的上表面建立xOy坐标系，坐标原点O在传送带的最左端．半径为R的光滑圆轨道ABC的最低点A点与C点原来相连，位于竖直平面内（如图乙所示），现把它从最低点处切开，并使C端沿y轴负方向错开少许，把它置于水平传送带的最右端，A点位于x轴上且与传送带的最右端之间的距离可忽略不计，轨道的A、C两端均位于最低点，C端与一水平直轨道平滑连接．由于A、C两点间沿y轴方向错开的距离很小，可把ABC仍看作位于竖直平面内的圆轨道．
    将一质量m=1.0kg的小物块P（可视为质点）沿x轴轻放在传送带上某处，小物块随传送带运动到A点进入光滑圆轨道，恰好能够通过圆轨道的最高点B，并沿竖直圆轨道ABC做完整的圆周运动后由C点经水平直轨道滑出．已知小物块与传送带间的动摩擦因数μ=0.50，圆轨道的半径R=0.50m，取重力加速度g=10m/s²．求：
（1）物块通过圆轨道最低点A时对轨道压力的大小；
（2）轻放小物块位置的x坐标应满足什么条件，才能完成上述运动；
（3）传送带由电动机带动，其与轮子间无相对滑动，不计轮轴处的摩擦．若将小物块轻放在传送带上O点，求为将小物块从O点运送至A点过程中电动机多做的功．
（4）若小物体随传送带运动到A点进入光滑圆轨道，恰好能够通过圆轨道的最高点B，并沿竖直圆轨道ABC做完整的圆周运动后由C点经水平直轨道滑出．在C点有一特殊装置是小球带上0.01库伦的正电荷，试设计可使小球沿水平方向做匀速直线运动和以a=10m/s²的匀加速直线运动的具体方案．

Answer 1

分析 （1）物块恰好通过圆轨道最高点B时，由重力提供向心力，根据牛顿第二定律求出B点速度，物块由A点运动至B点的过程，根据机械能守恒定律求出A点速度，在A点根据牛顿第二定律列式即可求解；
（2）根据牛顿第二定律求出物块在传送带上的加速度，根据（1）可知物体到达A点时的速度与传送带速度相等，根据运动学基本公式求出物体在传送带上加速的位移，从而求出轻放小物块的位置坐标需满足的条件；
（3）根据运动学基本公式求出物块相对于传送带运动的位移，根据结合功能关系求解即可．
（4）根据题目的要求，结合要求对物体进行合理的受力分析即可正确设计相关的方案．

解答 解：（1）设物块恰好通过圆轨道最高点B时重力提供向心力，设B点的速率为v_B，根据牛顿第二定律有：
mg=m$\frac{{v}_{B}^{2}}{R}$
解得：v_B=$\sqrt{gR}$=$\sqrt{10×0.5}$ m/s=$\sqrt{5}$m/s
设物块通过圆轨道最低点A的速率为v_A，对于物块由A点运动至B点的过程，根据机械能守恒定律有：
$\frac{1}{2}$m${v}_{A}^{2}$=$\frac{1}{2}$m${v}_{B}^{2}$+2mgR
代入数据解得：v_A=5.0m/s
设物块通过圆轨道最低点A时，轨道对物块的支持力为F_N，根据牛顿第二定律有：
F_N-mg=m$\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$；
代入数据解得：F_N=60N
据牛顿第三定律，物块通过圆轨道最低点A对轨道的压力为：F′_N=F_N=60N
（2）物块在传送带上的加速度为：a=μg=5.0m/s²
根据（1）可知物块运动至A点的速度满足v_A=5.0m/s，
可使其恰好通过圆轨道最高点B．传送带的速率为：v₀=5.0m/s，
物块在传送带上加速运动的位移为：x₀=$\frac{{v}_{A}^{2}}{2a}$=2.5m，
故轻放小物块的位置坐标需满足：x≤l-x₀=3.5m
（3）设为将小物块从O点运送到A点传送带电动机做的功为W，小物块加速运动时间为：t=$\frac{{v}_{A}}{a}$=1.0s，
小物块加速运动的位移：x=$\frac{1}{2}$at²=2.5m
根据功能关系有：W=$\frac{1}{2}$m${v}_{A}^{2}$+μmg（v₀t-x）=25J
（4）Ⅰ、若小球沿水平方向做匀速直线运动，则物块处于平衡状态，受到的合外力等于0，所以电场力与重力大小相等，方向相反，所以电场强度的方向向上，大小：
E=$\frac{mg}{q}=\frac{1.0×10}{0.01}=1000$N/C
Ⅱ、若物块做a=10m/s²的匀加速直线运动，则：F_合=ma=1.0×10=10N，方向与运动的方向相同，即沿水平方向向右．
所以物体受到的电场力的方向沿右上方，如图：
电场强度的方向与水平方向之间的夹角θ：tanθ=$\frac{mg}{ma}=\frac{10}{10}=1$
所以：θ=45°
E′=$\frac{ma}{cosθ}=\frac{1×10}{cos45°}$=$1000\sqrt{2}$N/C
答：（1）物块通过圆轨道最低点A时对轨道压力的大小为60N；
（2）轻放小物块位置的x坐标应满足x≤3.5m，才能完成上述运动；
（3）为将小物块从O点运送至A点过程中电动机多做的功为25J．
（4）在C点有一特殊装置是小球带上0.01库伦的正电荷，可使小球沿水平方向做匀速直线运动时电场强度的方向向上，大小为1000N/C；
若做a=10m/s²的匀加速直线运动则电场强度的方向向右上方，与水平方向之间的夹角是45°，大小是1000$\sqrt{2}$N/C．

点评 本题主要考查了牛顿第二定律、机械能守恒定律、运动学基本公式以及功能关系得直接应用，知道物块恰好通过圆轨道最高点B时，由重力提供向心力是解题的突破口，难度适中．