Question

4．有-個可視為質(zhì)點的小物塊，質(zhì)量為m=lkg，小物塊從光滑平臺上的A點水平拋出，經(jīng)過0.24s到達C點時，恰好沿C點的切線方問進入固定在水平地面上的光滑圓弧軌道，最后小物塊滑上緊靠軌道末端D點的質(zhì)量為M=2kg的長木板，如圖所示，己知木板上表面與圓弧軌道末端切線相平，木板下表面與水平地面之間光滑，小物塊與長木板間的動摩擦因數(shù)μ=0.2，圓弧軌道的半徑為R=5m，C點和圓弧的圓心連線與豎直方向的夾角θ=37°（sin37°=0.6），不計空氣阻力，g取10m/s²，求：

（1）小物塊剛到達圓弧軌道末端D點時對軌道的壓力；
（2）要使小物塊不滑出長木板，木板的長度L至少多大．
（3）4s末木板右端到D的距離．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)速度時間公式求出小球到達C點時豎直分速度，結(jié)合平行四邊形定則求出C點的速度，根據(jù)機械能守恒定律求出D點，結(jié)合牛頓第二定律得出D點的支持力，根據(jù)牛頓第三定律求出小物塊對D點的壓力大�。�
（2）木塊和木板組成的系統(tǒng)，動量守恒，結(jié)合動量守恒定律求出共同的速度，根據(jù)能量守恒求出木板的至少長度．
（3）根據(jù)動能定理求出長木板的位移，結(jié)合牛頓第二定律和運動學公式求出4s末木板右端到D的距離．

解答 解：（1）小物塊從A到C過程做平拋運動，因恰好沿C點的切線方向進入圓弧軌道，則小物塊在C點處豎直方向速度大小為：v_y=gt=10×0.24m/s=2.4m/s，
則小物塊在C點時的大小為：v_C=$\frac{{v}_{y}}{sin37°}=\frac{2.4}{0.6}m/s=4m/s$．
物塊由C到D的過程中，由機械能守恒定律得：
mgR（1-cos37°）=$\frac{1}{2}$mv²-$\frac{1}{2}$mv²
代入數(shù)據(jù)解得：v_D=6m/s．
小物塊在D點時圓弧軌道對小物塊的支持力大小為F_N，由牛頓第二定律得：F_N-mg=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
代入數(shù)據(jù)解得：F_N=17.2N．
由牛頓第三定律得，小物塊剛到D點時對軌道的壓力大小為：F_N′=F_N=17.2N，
方向豎直向下．
（2）設(shè)小物塊剛好滑到木板左端且二者達到共同速度的大小為v．小物塊在木板上滑行的過程中，與長木板組成的系統(tǒng)動量守恒．由：mv_D=（m+M）v，
代入數(shù)據(jù)解得：v=2m/s
由功能關(guān)系有：fl=$\frac{1}{2}$mv²_D-$\frac{1}{2}$（m+M）v²
其中f=μmg=2N，
解得：L=6m．
（3）對M有：fx₁=$\frac{1}{2}$Mv²-0  
代入數(shù)據(jù)解得：x₁=2m．
a=$\frac{f}{M}$=1m/s²
t₁=$\frac{v}{a}$=2s
x₂=v（t-t₁）=4m
x=x₁+x₂=6m．
答：（1）小物塊剛到達圓弧軌道末端D點時對軌道的壓力為17.2N
（2）要使小物塊不滑出長木板，木板的長度L至少6m．
（3）4s末木板右端到D的距離為6m．

點評 本題綜合考查了動能定理、牛頓第二定律、能量守恒定律等知識，綜合性較強，關(guān)鍵理清物塊的運動過程，選擇合適的規(guī)律進行求解．