Question

（2011?福建模擬）如圖所示，水平桌面上有一輕彈簧，左端固定在A點(diǎn)，自然狀態(tài)時(shí)其右端位于B點(diǎn)．水平桌面右側(cè)有一豎直放置的光滑軌道MNP，其形狀為半徑R=0.8m的圓環(huán)剪去了左上角135°的圓弧，MN為其豎直直徑，P點(diǎn)到桌面的豎直距離也是R．用質(zhì)量m₁=0.4kg的物塊將彈簧緩慢壓縮到C點(diǎn)，釋放后彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí)物塊恰停止在B點(diǎn)．用同種材料、質(zhì)量為m₂=0.2kg的物塊將彈簧緩慢壓縮到C點(diǎn)釋放，物塊過B點(diǎn)后做勻變速運(yùn)動(dòng)其位移與時(shí)間的關(guān)系為s=6t-2t²，物塊飛離桌面后由P點(diǎn)沿切線落入圓軌道．g=10m/s²，求：

（1）物塊m₂過B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度V₀及與桌面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)．
（2）BP間的水平距離
（3）判斷m₂能否沿圓軌道到達(dá)M點(diǎn)（要求計(jì)算過程）．
（4）釋放后m₂運(yùn)動(dòng)過程中克服摩擦力做的功．

Answer 1

分析：（1）由物塊過B點(diǎn)后其位移與時(shí)間的關(guān)系求出初速度和加速度，根據(jù)牛頓第二定律即可求得與桌面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)．
（2）物塊由D點(diǎn)做平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的基本公式求出到達(dá)D點(diǎn)的速度和水平方向的位移，根據(jù)物塊過B點(diǎn)后其位移與時(shí)間的關(guān)系得出初速度和加速度，進(jìn)而根據(jù)位移-速度公式求出位移；
（3）物塊在內(nèi)軌道做圓周運(yùn)動(dòng)，在最高點(diǎn)有臨界速度，則mg=m

vM2

R

，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，求出M點(diǎn)的速度，與臨界速度進(jìn)行比較，判斷其能否沿圓軌道到達(dá)M點(diǎn)．
（4）由能量轉(zhuǎn)化及守恒定律即可求出m₂釋放后在桌面上運(yùn)動(dòng)的過程中克服摩擦力做的功．

解答：解：（1）由物塊過B點(diǎn)后其位移與時(shí)間的關(guān)系s=6t-2t²得與s=v0t+

1

2

at2比較得：
v₀=6m/s                                              
加速度a=4m/s²                                      
而μm₂g=m₂a  得μ=0.4                            
（2）設(shè)物塊由D點(diǎn)以v_D做平拋，
落到P點(diǎn)時(shí)其豎直速度為vy=

2gR

 
根據(jù)幾何關(guān)系有：

vy

vD

=tan45°
解得v_D=4m/s
運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：t=

2R g

=

1.6 10

s=0.4s
所以DP的水平位移為：4×0.4m=1.6m
根據(jù)物塊過B點(diǎn)后其位移與時(shí)間的關(guān)系為x=6t-2t²，有：
在桌面上過B點(diǎn)后初速v₀=6m/s，加速度a=-4m/s²
所以BD間位移為 sBD=

vD2-v02

2a

=2.5m
所以BP間位移為2.5+1.6m=4.1m
（2）設(shè)物塊到達(dá)M點(diǎn)的臨界速度為v_m，有：
m2g=m2

vM2

R

v_M=

gR

=2

2

m/s
由機(jī)械能守恒定律得：
 

1

2

m2v′M2=

1

2

m2vD2-

2

2

m2gR 
解得：
v′_M=

16-8 2

m/s
因?yàn)?span dealflag="1" class="MathJye" mathtag="math" style="whiteSpace:nowrap;wordSpacing:normal;wordWrap:normal">

16-8 2

＜2

2

所以物塊不能到達(dá)M點(diǎn)．
（3）設(shè)彈簧長(zhǎng)為AC時(shí)的彈性勢(shì)能為E_P，物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，
釋放m₁時(shí)，E_P=μm₁gs_CB
釋放m₂時(shí)EP=μm2gsCB+

1

2

m2v02
且m₁=2m₂，
可得：EP=m2v02=7.2J
m₂釋放后在桌面上運(yùn)動(dòng)過程中克服摩擦力做功為W_f，
則由能量轉(zhuǎn)化及守恒定律得：EP=Wf+

1

2

m2vD2      
可得W_f=5.6J
答：（1）物塊m₂過B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度為6m/s，與桌面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.4．
（2）BP間的水平距離為4.1m；
（3）m₂不能否沿圓軌道到達(dá)M點(diǎn)；
（4）m₂釋放后在桌面上運(yùn)動(dòng)的過程中克服摩擦力做的功為5.6J．

點(diǎn)評(píng)：該題涉及到多個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，主要考查了機(jī)械能守恒定律、平拋運(yùn)動(dòng)基本公式、圓周運(yùn)動(dòng)向心力公式的應(yīng)用，用到的知識(shí)點(diǎn)及公式較多，難度較大，屬于難題．