Question

如圖所示，一長(zhǎng)L=4. 5m、質(zhì)量m1=1kg的長(zhǎng)木板靜止在水平地面上，與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1=0. 1。長(zhǎng)木板B端距光滑水平軌道CD的C端距離S = 7m，長(zhǎng)木板的上表面與CD面等高。一小滑塊以v0 = 9m/s的初速度滑上長(zhǎng)木板的A端后長(zhǎng)木板開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，小滑塊質(zhì)量m2= 2kg，與長(zhǎng)木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ2=0. 4。長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)到C處時(shí)即被牢固黏連。水平軌道CD右側(cè)有一豎直光滑圓形軌道在D點(diǎn)與水平軌道平滑連接，圓心為0,半徑R=0.4m。一輕質(zhì)彈簧一端固定在0點(diǎn)的軸上，一端栓著一個(gè)質(zhì)量與小滑塊相等的小球。彈簧的原長(zhǎng)為l0=0. 5m，勁度系數(shù)k = l00N/m。不計(jì)小滑塊和小球大小，取重力加速度的大小g = 10m/s2。求：

(1)小滑塊剛滑上長(zhǎng)木板時(shí)，長(zhǎng)木板的加速度大小a1和小滑塊的加速度大小a2;

(2)長(zhǎng)木板與水平軌道C端發(fā)生黏連前瞬間的速度vC.;

(3)小滑塊與小球在D點(diǎn)發(fā)生彈性碰撞后，小球隨即沿圓弧軌道運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分析可知小球到達(dá)P點(diǎn)時(shí)離開(kāi)圓軌道，求P、0連線與豎直方向夾角θ的余弦值。

Answer 1

【答案】（1）a1=5m/s2；a2=4m/s2     （2）4m/s       （3）

【命題立意】本題旨在考查動(dòng)能定理的應(yīng)用、牛頓第二定律、向心力。

【解析】（1）由題意知滑塊帶動(dòng)長(zhǎng)木板滑動(dòng)，先以滑塊為研究對(duì)象，長(zhǎng)木板對(duì)滑塊的摩擦力使滑塊產(chǎn)生加速度，故有：

μ2m2g=m2a2

可得滑塊的加速度為：

長(zhǎng)木板在滑塊和地面滑動(dòng)摩擦力共同作用下產(chǎn)生加速度有：

=5m/s2

（2）設(shè)滑塊和木板達(dá)到共同速度v1時(shí)間為t

則v1=a1t

v1=v0﹣a2t

代入數(shù)據(jù)解得

v1=5×1m/s=5m/s

此過(guò)程中長(zhǎng)木板的位移為：

小滑塊的位移為：

滑塊與木板的位移差為：△x=x2﹣x1=7﹣2.5m=4.5m

因?yàn)椤鱴=L，所以滑塊剛好滑至長(zhǎng)木板的右端時(shí)，兩者具有共同的速度，經(jīng)后長(zhǎng)木板與滑塊一起做勻減速運(yùn)動(dòng)

加速度為：，因?yàn)閨a3|＜|a2|，所以滑塊和長(zhǎng)木板一起減速，設(shè)滑行到C處的速度為vC，

根據(jù)速度位移關(guān)系有：

即長(zhǎng)木板與水平軌道C端發(fā)生粘連前瞬間的速度vt為4m/s；

（3）小滑塊和小球質(zhì)量相同，在D處彈性碰撞后，兩球交換速度，小球以vC=4m/s沿圓弧軌道向上運(yùn)動(dòng)，設(shè)小球離開(kāi)軌道時(shí)的速度為v

由機(jī)械能守恒有：…①

根據(jù)牛頓第二定律有：…②

由①②式解得：cos

【舉一反三】運(yùn)用整體法和隔離法分析物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力由牛頓第二定律求得物體運(yùn)動(dòng)的加速度，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律是正確解題的關(guān)鍵。