题目内容

12.滑板运动是一种陆地上的“冲浪”运动,滑板运动员可在不同的滑坡上滑行,做出各种动作,给人以美的享受.如图是模拟的滑板组合滑行轨道,该轨道由足够长的斜直轨道、半径R1=1m的凹形圆弧轨道和半径R2=1.6m的凸形圆弧轨道组成,这三部分轨道处于同一竖直平面内且依次平滑连接,其中M点为凹形圆弧轨道的最低点,N点为凸形圆弧轨道的最高点,凸形圆弧轨道的圆心0点与M点处在同一水平面上.一质量为m=1kg可看作质点的滑板,从斜直轨道上的P点无初速滑下,经过M点滑向N点,P点距M点所在水平面的高度h=1.8m不计一切阻力g取10m/s2.
(1)滑板滑到M点时的速度多大?
(2)滑板滑到M点时,滑板对轨道的压力多大?
(3)改变滑板无初速下滑时距M点所在水平面的高度,用压力传感器测出滑板滑至N点时对轨道的压力大小F,求当F为零时滑板的下滑高度h1.

分析 (1)滑板从P到M的过程中,只有重力做功,机械能守恒,运用机械能守恒定律列式求解;
(2)在M点,滑板由重力和支持力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律和向心力公式列式求出支持力,再得到压力;
(3)当F为零时,在N点,由重力充当向心力,由牛顿第二定律求出N点的速度,再由运用机械能守恒定律求滑板的下滑高度h1.

解答 解:(1)以地面为参考平面,对滑板从P到M过程,由机械能守恒定律得:
   mgh=$\frac{1}{2}m{v}_{M}^{2}$
解得:vM=$\sqrt{2gh}$=$\sqrt{2×10×1.8}$=6m/s
即滑板滑到M点时的速度为6m/s.
(2)滑板在M点时,由重力和支持力的合力提供向心力,由牛顿第二定律有
     FN-mg=m$\frac{{v}_{M}^{2}}{{R}_{1}}$
解得  FN=mg+m$\frac{{v}_{M}^{2}}{{R}_{1}}$=46N
由牛顿第三定律知,滑板滑到M点时,滑板对轨道的压力 FN′=FN=46N
(3)在N点,当F为零时,由重力提供向心力,由牛顿第二定律得:
    mg=m$\frac{{v}_{N}^{2}}{{R}_{2}}$
对从P到N过程,由机械能守恒定律,得:
    mg(h1-R2)=$\frac{1}{2}$mvN2;
解得 h1=2.4m
答:
(1)滑板滑到M点时的速度是6m/s.
(2)滑板滑到M点时,滑板对轨道的压力是46N.
(3)当F为零时滑板的下滑高度h1是2.4m.

点评 本题的关键要明确圆周运动向心力的来源:指向圆心的合力.对于轨道光滑的情况,要想到机械能守恒定律.

练习册系列答案
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6.甲、乙两位同学在“验证牛顿第二定律”实验中,使用了如图1所示的实验装置.

(1)实验时他们先调整垫木的位置,使小车不挂配重时能在倾斜的长木板上做匀速直线运动,这样做的目的是平衡摩擦力.
(2)此后,甲同学把细线系在小车上并绕过定滑轮悬挂若干配重片.在小车质量一定的情况下,多次改变配重片数量,每改变一次就释放一次小车,利用打点计时器打出记录小车运动情况的多条纸带.图2是其中一条纸带的一部分,O、A、B、C为4个相邻的计数点,相邻的两个计数点之间还有4个打出的点没有画出.打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上.通过对纸带的测量,可知小车运动过程中的加速度大小为0.49m/s2(保留2位有效数字).
(3)根据多条纸带的数据,甲同学绘制了小车加速度与小车所受拉力(测量出配重的重力作为小车所受拉力大小)的a-F图象,如图3所示.由图象可知AC.(选填选项前的字母)

A.当小车质量一定时,其加速度与所受合外力成正比
B.当小车所受合外力一定时,其加速度与质量成反比
C.小车的质量约等于0.3kg
D.小车的质量约等于3.3kg
(4)乙同学在实验时,因配重片数量不足改用5个质量为20g的钩码进行实验.他首先将钩码全部挂上,用打点计时器打出记录小车运动情况的纸带,并计算出小车运动的加速度;之后每次将悬挂的钩码取下一个并固定在小车上,重复多次实验,且每次实验前均调整垫木的位置,使小车不挂配重时能在倾斜的长木板上做匀速直线运动.根据测得的数据,绘制出小车加速度与悬挂的钩码所受重力的关系图线.关于这一图线下列说法错误的是B.(选填选项前的字母)
A.可由该图线计算出小车和5个钩码质量之和
B.只有当小车质量远大于悬挂钩码的质量时,该图线才是一条直线
C.无论小车质量是否远大于悬挂钩码的质量,该图线都是一条直线.

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