题目内容

5.如图所示,在粗糙水平面上竖直固定半径为R=6cm的光滑圆轨道.质量为m=4kg的物块静止放在粗糙水平面上A处,物块与水平面的动摩擦因数μ=0.75,A与B的间距L=0.5m.现对物块施加大小恒定的拉力F 使其沿粗糙水平面做直线运动,到达B 处将拉力F撤去,物块沿竖直光滑圆轨道运动.若拉力F 与水平面夹角为θ 时,物块恰好沿竖直光滑圆轨道通过最高点,重力加速度g 取10m/s2,物块可视为质点.求:
(1)物块到达B处时的动能;
(2)拉力F的最小值.

分析 (1)根据牛顿第二定律和向心力公式求出物块通过最高点时的速度,结合动能定理求出物块到达B处的动能.
(2)对AB段运用动能定理,根据动能定理得出F与θ的关系式,结合数学三角函数求极值的方法得出F的最小值.

解答 解:(1)因为物块恰好通过圆轨道最高点,根据牛顿第二定律得
  mg=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
解得物块通过最高点的速度为:v=$\sqrt{gR}$.
物块从B运动到圆轨道的最高点,由机械能守恒得:
  EkB=2mgR+$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
代入数据解得:
物块到达B处时的动能 EkB=6J.
(2)物块从A运动到B,根据动能定理得:
  Fcosθ•L-μ(mg-Fsinθ)L=EkB-0,
代入数据有:F=$\frac{42}{cosθ+0.75sinθ}$=$\frac{168}{5cos(θ-37°)}$
cosθ+3Fsinθ=168,
 可知θ=37°时,F有最小值,最小值为:
  Fmin=$\frac{168}{5}$N=33.6N.
答:
(1)物块到达B处的动能为6J.
(2)拉力F的最小值是33.6N.

点评 本题考查了动能定理和牛顿第二定律的综合运用,对于第二问对数学解决物理问题能力要求较高,运用数学函数法求极值,需加强这方面的训练.

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