Question

（2013?河池模擬）如圖甲所示，一豎直平面內(nèi)的軌道由粗糙斜面AD和光滑圓軌道DCE組成，AD與DCE相切于D點(diǎn)，C為圓軌道的最低點(diǎn)，將一小物塊置于軌道ADC上離地面高為H處由靜止釋放，用力傳感器測(cè)出其經(jīng)過(guò)C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力N，改變H的大小，
可測(cè)出相應(yīng)的N的大小，N隨H的變化關(guān)系如圖乙折線PQI所示（PQ與QI兩直線相連接于Q點(diǎn)），QI反向延長(zhǎng)交縱軸于F點(diǎn)（0，5.8N），重力加速度g取10m/s²，求：
（1）求出小物塊的質(zhì)量m；圓軌道的半徑R、軌道DC所對(duì)應(yīng)的圓心角θ；
（2）小物塊與斜面AD間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ．
（3）若要使小物塊能運(yùn)動(dòng)到圓軌道的最高點(diǎn)E，則小物塊應(yīng)從離地面高為H處由靜止釋放，H為多少？

Answer 1

分析：（1）從圖象得到H=0時(shí)的彈力，即為物體的重力，從而得到物體的質(zhì)量m；
（2）結(jié)合圖象可以得到當(dāng)H=0.2m時(shí)，物體恰好在斜面最低點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械能守恒定律和向心力公式聯(lián)立列式求解出圓軌道的半徑R，然后可根據(jù)幾何關(guān)系得到軌道DC所對(duì)圓心角；
（3）對(duì)滑塊從最高點(diǎn)到C點(diǎn)的過(guò)程運(yùn)用動(dòng)能定理列式，再對(duì)最低點(diǎn)運(yùn)用向心力公式和牛頓第二定律列式，聯(lián)立后求解出彈力的一般表達(dá)式，再根據(jù)圖象求解出動(dòng)摩擦因素．

解答：解：（1）如果物塊只在圓軌道上運(yùn)動(dòng)，則由動(dòng)能定理得mgH=

1

2

mv²解得v=

2gH

；
由向心力公式F_N-mg=m

v2

R

，得F_N=m

v2

R

+mg=

2mg

R

H+mg；
結(jié)合PQ曲線可知mg=5得m=0.5 kg．
由圖象可知

2mg

R

=10得R=1 m．顯然當(dāng)H=0.2 m對(duì)應(yīng)圖中的D點(diǎn)，
所以cos θ=

1-0.2

1

=0.8，θ=37°．
（2）如果物塊由斜面上滑下，由動(dòng)能定理得：mgH-μmgcos θ

(H-0.2)

sinθ

=

1

2

mv²
解得mv²=2mgH-

8

3

μmg（H-0.2）
由向心力公式得FN=m

V2

R

+mg=

2mg- 8 3 μmg

R

H+

1.6

3

μmg+mg
由向心力公式F_N-mg=m

v2

R

得F_N=m

v2

R

+mg=

2mg-\f(8

3

μmg，R)H+

1.6

3

μmg+mg
結(jié)合QI曲線知

1.6

3

μmg+mg=5.8，解得μ=0.3．
（3）如果物塊由斜面上滑下到最高點(diǎn)速度為v，
由動(dòng)能定理得：mg（H-2R）-μmgcos θ

(H-0.2)

sinθ

=

1

2

mv² （1）
設(shè)物塊恰能到達(dá)最高點(diǎn)：由向心力公式：mg=m

v2

R

               （2）
由（1）（2）式可得：H=15.1m
答：（1）求出小物塊的質(zhì)量m；圓軌道的半徑R、軌道DC所對(duì)應(yīng)的圓心角θ=37°；
（2）小物塊與斜面AD間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.3．
（3）若要使小物塊能運(yùn)動(dòng)到圓軌道的最高點(diǎn)E，則小物塊應(yīng)從離地面高為15.1m處由靜止釋放．

點(diǎn)評(píng)：本題關(guān)鍵是對(duì)分析清楚滑塊的各個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，然后運(yùn)用動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律和向心力公式，結(jié)合圖象聯(lián)立方程組求解．