Question

19．如圖所示，為一傳送裝置，其中AB段粗糙，AB段長為L=0.2m，動摩擦因素μ=0.6，BC、DEN段均可視為光滑，且BC的始、末端均水平，具有h=0.1m的高度差，DEN是半徑為r=0.5m的半圓形軌道，其直徑DN沿豎直方向，C位于DN豎直線上，CD間的距離恰能讓滑塊自由通過．在左端豎直墻上固定一輕質(zhì)彈簧，現(xiàn)有一可視為質(zhì)點的滑塊，滑塊質(zhì)量m₁=1.0kg，壓縮輕質(zhì)彈簧至A點后由靜止釋放（滑塊和彈簧不粘連），滑塊剛好能沿DEN軌道滑到木板上，木板靜止在光滑水平面MN上，木板質(zhì)量為m₂=4.0kg，若滑塊與木板之間的動摩擦因素μ=0.2，滑塊恰好不能從木板上滑落，求：（g取10m/s²）
（1）小球到達N點時對軌道的壓力；
（2）壓縮的彈簧所具有的彈性勢能；
（3）滑塊在木板上滑動過程，由摩擦產(chǎn)生的熱量．

Answer 1

分析 （1）滑塊剛好能沿DEN軌道滑到木板上，滑塊經(jīng)過D點時由重力提供向心力，由牛頓第二定律求出滑塊經(jīng)過D點的速度．由動能定理求出滑塊經(jīng)過N點的速度，再由牛頓第二定律求出在N點軌道對滑塊的支持力，從而得到滑塊對軌道的壓力．
（2）從A到D點，運用能量守恒定律求解彈簧所具有的彈性勢能．
（3）滑恰好不能從木板上滑落，此時滑塊與木板達到共同速度，根據(jù)牛頓第二定律、速度公式和速度相等的條件，求出共同速度．再由能量守恒求熱量．

解答 解：（1）因為滑塊剛好能沿DEN軌道滑下，所以在D點有：
m₁g=m₁$\frac{{v}_{D}^{2}}{r}$…①
由動能定理得：2m₁gr=$\frac{1}{2}{m}_{1}{v}_{N}^{2}-\frac{1}{2}{m}_{1}{v}_{D}^{2}$…②
在N點，由牛頓第二定律得：N-m₁g=m₁$\frac{{v}_{N}^{2}}{r}$…③
聯(lián)立①②③得軌道對滑塊的支持力為：N=60N
則滑塊對軌道壓力為：N′=N=60 N．
（2）從A到D點，由能量守恒定律得：
E_p+m₁gh-μm₁gL=$\frac{1}{2}{m}_{1}{v}_{D}^{2}$…④
代入數(shù)據(jù)得：E_p=2.7J
（3）滑恰好不能從木板上滑落，即此時滑塊與木板達到共同速度v，設(shè)經(jīng)歷時間為t．
對滑塊，有 μm₁g=m₁a₁，得：a₁=2m/s²；
對木板，有 μm₁g=m₂a₂，得：a₂=0.5m/s²；
則有：v=v_N-a₁t…⑤
v=a₂t…⑥
得：v=1m/s
因此，滑塊位移為為：S₁=$\frac{{v}^{2}-{v}_{N}^{2}}{-2{a}_{1}}$，
木板位移為：S₂=$\frac{{v}^{2}}{2{a}_{2}}$
則有：Q=μmg（S₁-S₂）
代入解得：Q=10J
答：（1）小球到達N點時對軌道的壓力是60N；
（2）壓縮的彈簧所具有的彈性勢能是2.7J；
（3）滑塊在木板上滑動過程，由摩擦產(chǎn)生的熱量是10J．

點評 本題綜合考查了牛頓定律、動能定理和向心力知識的運用，關(guān)鍵要把握D點的臨界條件：重力充當(dāng)向心力，并掌握每個過程的規(guī)律．