Question

10．如圖甲所示，一豎直面內(nèi)的軌道是由粗糙斜面AB和光滑圓軌道BCD組成，AB與BCD相切于B點(diǎn)，C為圓軌道的最低點(diǎn)．將小物塊（可看作質(zhì)點(diǎn)）置于軌道ABC上離地面高為H處由靜止下滑，可用力傳感器測出其經(jīng)過C點(diǎn)時對軌道的壓力F_N．現(xiàn)將小物塊放在ABC上不同高度處，讓H從零開始逐漸增大，傳感器測出小物塊每次從不同高度處下滑到C點(diǎn)時對軌道的壓力F_N，得到如圖乙兩段直線PQ和QI，且IQ反向延長線與縱軸交點(diǎn)坐標(biāo)值為5N，g取10m/s²．則

（1）小物塊的質(zhì)量m為多少？
（2）若小物塊由斜面上某點(diǎn)從靜止開始運(yùn)動，恰好能通過圓軌道最高點(diǎn)D，求小物塊在C點(diǎn)對軌道的壓力F_N大小為多少？
（3）小物塊在斜面上某點(diǎn)由靜止開始運(yùn)動，并能通過C點(diǎn)．某同學(xué)根據(jù)圖象所給信息求出圓軌道半徑R=2m，軌道BC部分所對應(yīng)的圓心角為θ=60°．請你再結(jié)合圖象所給的信息求出斜面對小物體的滑動摩擦力大小為多少？

Answer 1

分析 （1）從圖象得到H=0時的彈力，即為物體的重力，從而得到物體的質(zhì)量m；
（2）在D點(diǎn)由牛頓第二定律列方程，從C到D過程應(yīng)用動能定理列方程，可以求出物塊對軌道的壓力F_N大小；
（3）對滑塊從最高點(diǎn)到C點(diǎn)的過程運(yùn)用動能定理列式，再對最低點(diǎn)運(yùn)用向心力公式和牛頓第二定律列式，聯(lián)立后求解出彈力的一般表達(dá)式，再根據(jù)圖象求解出滑動摩擦力的大�。�

解答 解：（1）由圖象可知，當(dāng)H=0時：F_N=4N，
  F_N=mg，則得物塊的質(zhì)量為 m=0.4kg；
（2）在D點(diǎn)，由牛頓第二定律得：mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{R}$
由C到D的過程，由動能定理得：-2mgR=$\frac{1}{2}m{v}_{D}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}$
在C點(diǎn)，由牛頓第二定律：F_N-mg=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$
解得：F_N=24N；
由牛頓第三定律知，小物塊在C點(diǎn)對軌道的壓力F_N大小為24N．
（3）在C點(diǎn)由牛頓第二定律：F_N-mg=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$；
由動能定理得：mgH-$\frac{f（H-l）}{sin60°}$=$\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}$
可得，F(xiàn)_N=（2mg-$\frac{4f}{\sqrt{3}}$）$\frac{H}{R}$+$\frac{4f}{\sqrt{3}}$+mg，
圖象QI段斜率：k=（2mg-$\frac{4f}{\sqrt{3}}$）•$\frac{1}{R}$=$\frac{8-5}{1}$=3，f=$\frac{\sqrt{3}}{2}$N；
答：
（1）小物塊的質(zhì)量m為0.4kg．
（2）小物塊在C點(diǎn)對軌道的壓力F_N大小為24N．
（3）斜面對小物體的滑動摩擦力大小為$\frac{\sqrt{3}}{2}$N．

點(diǎn)評 本題根據(jù)動能定理和圓周運(yùn)動的規(guī)律，再結(jié)合圖線的數(shù)學(xué)意義，求解軌道半徑等，是常用的數(shù)形結(jié)合的方法．