Question

（2010?德州一模）如圖所示，一質(zhì)量為M=5.0kg的平板車靜止在光滑水平地面上，平板車的上表面距離地面高為h，其右側(cè)足夠遠(yuǎn)處有一障礙物A，另一質(zhì)量為m=2.0kg可視為質(zhì)點(diǎn)的滑塊，以v₀=8m/s的初速度從左端滑上平板車，同時(shí)對(duì)平板車施加一水平向右、大小為5N的恒力F，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到平板車的最右端時(shí)，二者恰好相對(duì)靜止，此時(shí)撤去恒力F，當(dāng)平板車碰到障礙物A時(shí)立即停止運(yùn)動(dòng)，滑塊水平飛離平板車后，恰能無(wú)碰撞地沿圓弧切線從B點(diǎn)切入光滑豎直圓弧軌道，并沿軌道下滑，已知滑塊與平板車間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5，圓弧半徑為R=2m，圓弧所對(duì)的圓心角∠BOD=θ=106°，取g=10m/s²，sin53°=0.8，cos53°=0.6，求：
（1）平板車的長(zhǎng)度；
（2）障礙物A與圓弧左端B的水平距離；
（3）滑塊在C點(diǎn)處對(duì)軌道的壓力大小是多少？

Answer 1

分析：（1）對(duì)滑塊和小車分別受力分析，由牛頓第二定律可以求得加速度的大小，再根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可以求得車的長(zhǎng)度；
（2）滑塊從平板車上滑出后做平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可以求得障礙物A與圓弧左端B的水平距離；
（3）從B到C得過(guò)程中，物體的機(jī)械能守恒，再根據(jù)向心力的公式可以求得再C點(diǎn)時(shí)受到的支持力的大小，再由牛頓第三定律可得滑塊對(duì)軌道的壓力．

解答：解：（1）對(duì)滑塊，由牛頓第二定律得a1=

μmg

m

=μg=5m/s2
對(duì)平板車，由牛頓第二定律得 a2=

F+μmg

M

=3m/s²
設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)間t₁，滑塊與平板車相對(duì)靜止，共同速度為υ，
則υ=υ₀-a₁t₁=a₂t₁
解得 t₁=1s       
υ=3m/s
滑塊與平板車在時(shí)間t₁內(nèi)通過(guò)的位移分別為 
x1=

υ0+υ

2

t1，
x2=

υ

2

t1
則平板車的長(zhǎng)度為 L=x1-x2=

υ0

2

t1=4m．    
（2）設(shè)滑塊從平板車上滑出后做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t₂，因滑塊恰能無(wú)碰撞地沿圓弧切線從B點(diǎn)切入光滑豎直圓弧軌道，
對(duì)B處速度進(jìn)行分解可知：
tan53°=

υy

υx

 
 又υ_x=υ=3m/s      
得υ_y=4m/s      
由公式υ_y=gt₂x_AB=υ_xt₂
解得x_AB=1.2m  
（3）在B點(diǎn)的速度的大小為 υ_B=

v 2 x +vy2

=5m/s
由B到C過(guò)程中由機(jī)械能守恒定律得：

1

2

m

v

2 B

+mgR(1-cos530)=

1

2

m

v

2 C

在C點(diǎn)處，由牛頓第二定律得：N-mg=

m v 2 C

R

由以上式子解得：N=86N，
由牛頓第三定律得滑塊對(duì)軌道的壓力為86N．

點(diǎn)評(píng)：分析清楚滑塊在每個(gè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程來(lái)逐個(gè)求解，本題中用到了勻變速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，要求學(xué)生要熟練的應(yīng)用每一部分的知識(shí)．