Question

8．如圖甲所示，絕緣軌道ABCD與水平面成37°，除BC部分外其余光滑，在D處垂直斜面固定一絕緣擋板，AB間距L₁=3m，BC間距L₂=0.6m．一質(zhì)量m=1kg的玩具（視為質(zhì)點(diǎn)）可在軌道上沿直線滑行，與擋板碰撞后原速返回，滑行過程中空氣阻力不計(jì)，重力加速度g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8．

（1）玩具由A點(diǎn)靜止釋放，經(jīng)1.1s到達(dá)C點(diǎn)，求玩具與BC間的動摩擦因數(shù)；
（2）在B點(diǎn)左側(cè)區(qū)域施加豎直向上的勻強(qiáng)電場，電場強(qiáng)度E=2.5×10³N/C，如圖乙所示．讓玩具帶上q=-2×10^-3C的電量，仍由A點(diǎn)靜止釋放后．求：
①玩具在滑行過程中的最小加速度a_min和最大加速度a_max；
②玩具與擋板第一次碰撞后上升的最高位置距A點(diǎn)的距離L₃；
（3）在第（2）問的條件下，求玩具從開始釋放到停止運(yùn)動的整個過程中因摩擦產(chǎn)生的總熱量Q．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)牛頓第二定律分別求出AB和BC段的加速度，結(jié)合位移時(shí)間和速度時(shí)間關(guān)系即可求出BC段的動摩擦因數(shù)；
（2）①進(jìn)行受力分析，從B到C受力平衡，加速度最��；從C到B加速度最大，根據(jù)牛頓第二定律求出最大加速度；
②假設(shè)最高點(diǎn)在B點(diǎn)以上，根據(jù)能量守恒定律求解，再對結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)；
（3）根據(jù)能量守恒定律求出玩具最后停止的位置距B點(diǎn)的距離，再求出摩擦產(chǎn)生的熱量；

解答 解：（1）AB段，根據(jù)牛頓第二定律$mgsin37°=m{a}_{1}^{\;}$
解得：${a}_{1}^{\;}=gsin37°=6m/{s}_{\;}^{2}$
根據(jù)${L}_{1}^{\;}=\frac{1}{2}{a}_{1}^{\;}{t}_{1}^{2}$，得${t}_{1}^{\;}=1s$
B點(diǎn)速度${v}_{B}^{\;}={a}_{1}^{\;}{t}_{1}^{\;}=6m/s$
從B到C的時(shí)間${t}_{2}^{\;}=t-{t}_{1}^{\;}=0.1s$
BC間的距離${L}_{2}^{\;}={v}_{B}^{\;}{t}_{2}^{\;}$$+\frac{1}{2}{a}_{2}^{\;}{t}_{2}^{2}$
BC段，根據(jù)牛頓第二定律，有
$mgsin37°-μmgcos37°=m{a}_{2}^{\;}$
解得：${a}_{2}^{\;}=g（sin37°-μcos37°）$
解得：${a}_{2}^{\;}=0$，μ=0.75
（2）①f=μ（mg+qE）cos37°=9N
mgsin37°=6N
qEsin37°=3N
從B到C的過程中加速度最�。�
據(jù)$（mg+qE）sin37°-f=m{a}_{min}^{\;}$，得${a}_{min}^{\;}=0$
由C運(yùn)行到B的過程中加速度最大：
據(jù)$f+（mg+qE）sin37°=m{a}_{max}^{\;}$，得${a}_{max}^{\;}=18m/{s}_{\;}^{2}$
②假定最高點(diǎn)在B點(diǎn)以上，有：$mg{L}_{3}^{\;}sin37°=2f{L}_{2}^{\;}$
代入數(shù)據(jù)得${L}_{3}^{\;}=1.8m$，因${L}_{3}^{\;}＜{L}_{1}^{\;}$，假設(shè)成立，結(jié)論${L}_{3}^{\;}=1.8m$
（3）假定玩具停在B處，$\frac{mg{L}_{1}^{\;}sin37°}{f{L}_{2}^{\;}}=\frac{18}{5.4}=3+\frac{1}{3}$
可見，玩具應(yīng)停在BC之間某處，設(shè)此處距C點(diǎn)為x，有：
$mg（{L}_{1}^{\;}+{L}_{2}^{\;}-x）sin37°+qE（{L}_{2}^{\;}-x）sin37°$=$f（3{L}_{2}^{\;}+x）$
代入數(shù)據(jù)得x=0.4m
所以$Q=f（3{L}_{2}^{\;}+x）=9×2.2=19.8J$
答：（1）玩具與BC間的動摩擦因數(shù)為0.75；
（2）①玩具在滑行過程中的最小加速度${a}_{min}^{\;}$為0和最大加速度${a}_{max}^{\;}$為$18m/{s}_{\;}^{2}$；
②玩具與擋板第一次碰撞后上升的最高位置距A點(diǎn)的距離${L}_{3}^{\;}$為1.8m；
（3）在第（2）問的條件下，玩具從開始釋放到停止運(yùn)動的整個過程中因摩擦產(chǎn)生的總熱量Q為19.8J

點(diǎn)評 考查動能定理、牛頓第二定律，并讓學(xué)生知道動能定理過程選取的重要性，同時(shí)搞清電場力、重力做功與路徑無關(guān)，摩擦力做功與路徑有關(guān)．