Question

20．如圖所示，一輛質(zhì)量為M的小車靜止在水平面上，車面上右端點(diǎn)有一可視為質(zhì)點(diǎn)的滑塊1，水平面上有與車右端相距為4R的固定的$\frac{1}{4}$光滑圓弧軌道，其圓半徑為R，圓弧軌道E處的切線是豎直的，車上表面與地面平行且與圓弧軌道的末端D等高，在圓弧軌道的最低點(diǎn)D處，有另一個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的滑塊2，兩滑塊質(zhì)量均為m．某人由靜止開(kāi)始推車，當(dāng)車與圓弧軌道的豎直壁CD碰撞后人即撤去推力并離開(kāi)小車，車碰后靠著豎直壁靜止但不粘連，滑塊1和滑塊2則發(fā)生碰撞，碰后兩滑塊牢牢粘在一起不再分離．車與地面的摩擦不計(jì)，滑塊1、2與車面的摩擦系數(shù)均為μ，重力加速度為g，滑塊與車面的最大靜摩擦力可認(rèn)為等于滑動(dòng)摩擦力．

（1）若人推車的力是水平方向且大小為F=$\frac{1}{2}$μ（M+m）g，則在人推車的過(guò)程中，滑塊1與車是否會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)？
（2）在（1）的條件下，滑塊1與滑塊2碰前瞬間，滑塊1的速度多大？
（3）若車面的長(zhǎng)度為$\frac{R}{4}$，小車質(zhì)量M=km，則k的取值在什么范圍內(nèi)，兩個(gè)滑塊最終沒(méi)有滑離車面？

Answer 1

分析 （1）假設(shè)滑塊1與車不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律，分別對(duì)整體和滑塊1研究，求出滑塊受到的靜摩擦力大小，與最大靜摩擦力比較，判斷滑塊1與車是否會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)．
（2）若滑塊1與車沒(méi)有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，對(duì)整體，運(yùn)用動(dòng)能定理求出滑塊1與滑塊2碰撞前瞬間滑塊1的速度．兩滑塊碰撞過(guò)程，由動(dòng)量守恒定律求出碰撞后共同的速度．
（3）兩滑塊粘合在一起后沖上光滑圓弧軌道，由于圓弧軌道的E處的切線是豎直的，則無(wú)論兩滑塊在圓弧軌道上運(yùn)動(dòng)，還是從E處豎直向上離開(kāi)圓弧軌道，最后還是沿著圓弧軌道回到D處，整個(gè)過(guò)程中兩滑塊的機(jī)械能守恒，兩滑塊最終以原速率沖上車面．根據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒結(jié)合求解兩個(gè)滑塊最終沒(méi)有滑離車面時(shí)的k．

解答 解：（1）設(shè)滑塊1與車不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，它們的加速度大小為a，由牛頓第二定律有：F=（M+m）a…①
此時(shí)滑塊受到的靜摩擦力大小為：f=ma…②
而$F=\frac{1}{2}μ（M+m）g$…③
由①②③解得：$f=\frac{1}{2}μmg$…④
又滑塊1與車面的最大靜摩擦力為：f_m=μmg…⑤
顯然f＜f_m，說(shuō)明滑塊1與車面之間沒(méi)有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)  
（2）設(shè)滑塊1與滑塊2碰撞前瞬間滑塊1的速度為v，根據(jù)動(dòng)能定理有：$F•4R=\frac{1}{2}（M+m）{v^2}$…⑥
聯(lián)立③⑥求得：$v=2\sqrt{μgR}$…⑦
（3）設(shè)滑塊1和2發(fā)生碰撞后的共同速度為v₁，規(guī)定向右方向?yàn)檎�方向，由�?dòng)量守恒定律有：mv=2mv₁…⑧
聯(lián)立⑦⑧求得：${v_1}=\sqrt{μgR}$…⑨
兩滑塊粘合在一起后以v₁的速度沖上光滑圓弧軌道，由于圓弧軌道的E處的切線是豎直的，則無(wú)論兩滑塊在圓弧軌道上運(yùn)動(dòng)，還是從E處豎直向上離開(kāi)圓弧軌道，最后還是沿著圓弧軌道回到D處，整個(gè)過(guò)程中兩滑塊的機(jī)械能守恒，兩滑塊最終以速度v₁沖上車面．
設(shè)兩滑塊滑到車的左端時(shí)，若滑塊剛好不滑出車面，滑塊和車應(yīng)有共同的速度設(shè)為v₂，規(guī)定相左方向?yàn)檎�方向，由系統(tǒng)的動(dòng)量守恒有：
2mv₁=（2m+km）v₂…⑩
由系統(tǒng)的能量守恒有：$μ2mg•\frac{R}{4}=\frac{1}{2}•2mv_1^2-\frac{1}{2}（2m+km）v_2^2$…⑪
聯(lián)立⑨⑩⑪解得：k=2…⑫
所以當(dāng)k≤2時(shí)，兩個(gè)滑塊最終沒(méi)有滑離小車．                 
答：（1）若人推車的力是水平方向且大小$F=\frac{1}{2}μ（M+m）g$，在人推車的過(guò)程中，滑塊1與車不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)．
（2）在（1）的條件下，滑塊1與滑塊2碰前瞬間，滑塊1的速度是$2\sqrt{μgR}$．
（3）若車面的長(zhǎng)度為$\frac{R}{4}$，小車質(zhì)量M=km，k的取值在k≤2時(shí)，兩個(gè)滑塊最終沒(méi)有滑離車面．

點(diǎn)評(píng) 本題過(guò)程較復(fù)雜，按程序法分析過(guò)程，確定每個(gè)過(guò)程遵循的物理規(guī)律是關(guān)鍵．特別是要挖掘隱含的臨界條件．在人推車的過(guò)程中，根據(jù)牛頓第二定律，運(yùn)用整體法和隔離法求出滑塊1與車間的靜摩擦力，根據(jù)靜摩擦力與最大靜摩擦力的關(guān)系，確定滑塊1與車是否相對(duì)滑動(dòng)．對(duì)于滑塊滑回車上后，當(dāng)滑塊滑車的最右端，且速度與車的速度相等時(shí)，恰好沒(méi)有滑出車，根據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒求出k，是本題解答的關(guān)鍵步驟．