Question

如圖所示，水平光滑地面上停放著一輛小車，左側(cè)靠在豎直墻壁上，小車的四分之一圓弧軌道AB是光滑的，在最低點(diǎn)B與水平軌道BC相切，BC的長(zhǎng)度是圓弧半徑R的10倍，整個(gè)軌道處于同一豎直平面內(nèi)．可視為質(zhì)點(diǎn)的物塊在上方某處無(wú)初速下落，恰好落入小車圓弧軌道，然后沿水平軌道滑行至軌道末端C處恰好沒(méi)有滑出．已知物塊到達(dá)圓弧軌道最低點(diǎn)B時(shí)對(duì)軌道的壓力是物塊重力的9倍，小車的質(zhì)量是物塊的3倍，不考慮空氣阻力和物塊落入圓弧軌道時(shí)的能量損失．求：
（1）物塊開(kāi)始下落的位置距水平軌道BC的豎直高度？
（2）物塊與水平軌道BC間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ．

Answer 1

分析：（1）物塊開(kāi)始下落的位置距水平軌道B處的過(guò)程中，小車不動(dòng)，物塊的機(jī)械守恒，由機(jī)械能守恒定律求出到達(dá)B點(diǎn)時(shí)的速度大�。�物塊經(jīng)過(guò)B點(diǎn)時(shí)，由重力和軌道支持力的合力提供向心力，由牛頓第二定律求出物體開(kāi)始下落時(shí)的高度．
（2）物塊從B點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中受到向左的摩擦力而做勻減速運(yùn)動(dòng)，小車受到向右的摩擦力而勻加速運(yùn)動(dòng)，物塊滑行至軌道末端C處恰好沒(méi)有滑出，物塊與小車的速度相同．根據(jù)動(dòng)量守恒定律求出共同的速度，由能量守恒定律求解動(dòng)摩擦因數(shù)μ．

解答：解：（1）設(shè)物體開(kāi)始下落時(shí)的高度為h，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)的速度大小為v_B，則
物塊從開(kāi)始下落到B的過(guò)程中，根據(jù)機(jī)械能守恒定律得：
mgh=

1

2

m

v

2 B

得：v_B=

2gh

在B點(diǎn)，由牛頓第二定律得：N-mg=m

v 2 B

R

又由題知 N=9mg，解得：h=4R，v_B=

8gR

（2）設(shè)物體與小車最后共同速度為v，則由動(dòng)量守恒得：
mv_B=（m+3m）v
得：v=

1

4

vB=

1

2

2gR

又根據(jù)能量守恒得：
μmg?10R=

1

2

m

v

2 B

-

1

2

(m+3m)v2
代入得：μ=0.3
答：
（1）物塊開(kāi)始下落的位置距水平軌道BC的豎直高度是4R．
（2）物塊與水平軌道BC間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ是0.3．

點(diǎn)評(píng)：本題首先要分析物理過(guò)程，確定研究對(duì)象，其次要把握解題的規(guī)律，采用機(jī)械能守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒結(jié)合研究，難度適中．