Question

20．某商場(chǎng)設(shè)計(jì)將貨物（可視為質(zhì)點(diǎn)），從高處運(yùn)送到貨倉(cāng)，簡(jiǎn)化運(yùn)送過程如圖所示，左側(cè)由固定于地面的光滑$\frac{1}{4}$圓軌道，軌道半徑為R，軌道最低點(diǎn)距離地面高度為h=$\frac{R}{2}$，距貨倉(cāng)的水平距離為L(zhǎng)=3R，若貨物由軌道頂端無初速落下，無法直接運(yùn)動(dòng)到貨倉(cāng)，設(shè)計(jì)者在緊靠最低點(diǎn)的地面放置兩個(gè)相同的木箱，木箱長(zhǎng)度為R，高度為h，質(zhì)量為M，上表面與軌道末端相切，貨物與木箱之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，設(shè)計(jì)者將質(zhì)量為m貨物由軌道頂端無初速滑下，發(fā)現(xiàn)貨物滑上木箱1時(shí)，兩木箱均靜止，而滑上木箱2時(shí)，木箱2開始滑動(dòng)（最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力大小相等，重力加速度為g）
（1）求木箱與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)μ₁的取值范圍；
（2）設(shè)計(jì)者將兩木箱固定在地面上，發(fā)現(xiàn)貨物剛好可以死進(jìn)去貨倉(cāng)，求動(dòng)摩擦因數(shù)μ的值．

Answer 1

分析 （1）貨物在木箱1上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩木箱均靜止，知物塊對(duì)木箱的摩擦力小于地面對(duì)木箱的最大靜摩擦力，貨物在木箱2上運(yùn)動(dòng)時(shí)，木箱2運(yùn)動(dòng)，知物塊對(duì)木箱2的摩擦力大于木箱2受到地面的摩擦力，從而求出動(dòng)摩擦因數(shù)的范圍．
（2）根據(jù)動(dòng)能定理求出物塊滑上木箱的初速度，結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，抓住物塊恰好進(jìn)入貨倉(cāng)求出物塊離開木箱做平拋運(yùn)動(dòng)的速度，根據(jù)牛頓第二定律和速度位移公式求出動(dòng)摩擦因數(shù)的大小．

解答 解：（1）因?yàn)樨浳镌谀鞠?上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩木箱均靜止，有：μmg＜μ₁（2M+m）g，
貨物在木箱2上運(yùn)動(dòng)時(shí)，木箱2開始滑動(dòng)，有：μmg＞μ₁（M+m）g，
聯(lián)立兩式解得$\frac{μm}{2M+m}＜{μ}_{1}＜\frac{μm}{M+m}$．
（2）根據(jù)動(dòng)能定理得，$mgR=\frac{1}{2}m{v}^{2}$，解得v=$\sqrt{2gR}$，
在兩木箱上做勻減速運(yùn)動(dòng)的加速度a=μg，
因?yàn)槟緣K剛好進(jìn)入貨倉(cāng)，木塊離開木箱后做平拋運(yùn)動(dòng)，有：$h=\frac{R}{2}=\frac{1}{2}g{t}^{2}$，t=$\sqrt{\frac{R}{g}}$，
根據(jù)3R-2R=v′t得，木塊做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度$v′=\frac{R}{t}=R\sqrt{\frac{g}{R}}=\sqrt{gR}$，
根據(jù)速度位移公式得，v²-v′²=2a•2R，
代入數(shù)據(jù)解得μ=0.25．
答：（1）木箱與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)μ₁的取值范圍為$\frac{μm}{2M+m}＜{μ}_{1}＜\frac{μm}{M+m}$．
（2）動(dòng)摩擦因數(shù)μ的值為0.25．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了動(dòng)能定理、牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式的綜合運(yùn)用，對(duì)于第二問，關(guān)鍵抓住臨界情況，物塊恰好進(jìn)入貨倉(cāng)，求出平拋運(yùn)動(dòng)的初速度是關(guān)鍵．