Question

【題目】如圖所示，傾角 30°的光滑斜面上，輕質(zhì)彈簧兩端連接著兩個(gè)質(zhì)量均為 m=1kg 的物塊 B 和 C，C 緊靠著擋板 P，B 通過(guò)輕質(zhì)細(xì)繩跨過(guò)光滑定滑輪與質(zhì)量 M=8kg 的小球 A 連接，B 與滑輪之間的距離足夠遠(yuǎn)，細(xì)繩平行于斜面，A 在外力作用下靜止在圓心角為 60°、半徑 R=2m 的光滑圓弧軌道的頂端 a 處，此時(shí)繩子恰好拉直且無(wú)張力；圓弧軌道最低端 b 與粗糙水平軌道 bc 相切，bc 與一個(gè)半徑 r=0.2m 的光滑圓軌 道平滑連接。由靜止釋放小球 A，當(dāng) A 滑至 b 點(diǎn)時(shí)，C 恰好離開(kāi)擋板 P，此時(shí)連接 AB 的繩子在小球 A 處斷裂， 已知小球 A 與 bc 間的動(dòng)摩擦因數(shù)= 0.1 ，重力加速度 g 取 10m/s2，彈簧的形變始終在彈性限度內(nèi)，所有裝置在同一豎直平面內(nèi)，細(xì)繩不可伸長(zhǎng)。

（1）求彈簧的勁度系數(shù) k;

（2）小球A滑到b處，繩子剛好斷后瞬間，小球A對(duì)圓軌道的壓力為多少？

（3）為了讓小球 A 能進(jìn)入圓軌道且不脫軌，則bc間的距離應(yīng)滿足什么條件?

Answer 1

【答案】（1）k=5N/m（2）144N，方向豎直向下（3）x≤3m,或者6m≤x≤8m

【解析】（1）A在a處時(shí)，繩子拉直無(wú)張力，彈簧壓縮，設(shè)壓縮量為，彈簧彈力為

；
A在b處時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)，設(shè)伸長(zhǎng)量為，那么， ；又有當(dāng)A滑至b時(shí)，C恰好離開(kāi)擋板P，所以，彈簧彈力；
所以， ，所以， ；
（2）A從a到b過(guò)程由，ABC及彈簧系統(tǒng)只有重力、彈簧彈力做功，且A在a處和b處，彈簧的形變量相同，故彈性勢(shì)能不變，彈簧彈力做功為零；那么，ABC及彈簧系統(tǒng)機(jī)械能守恒；
設(shè)A在b處的速度為，那么，B的速度為A的速度在沿繩子方向的分速度，故B的速度，則由動(dòng)能定理可得：

，所以， ；
對(duì)物塊A滑至b處，繩子斷后瞬間應(yīng)用牛頓第二定律，則有，所以， ；
故由牛頓第三定律可知：物塊A滑至b處，繩子斷后瞬間，A對(duì)圓軌道的壓力大小為，方向豎直向下；
（3）為了讓物塊A能進(jìn)入圓軌道且不脫軌，那么，物塊A在圓軌道上可能達(dá)到的最高點(diǎn)或者；
那么，當(dāng)時(shí)，對(duì)物體A在最高點(diǎn)應(yīng)用牛頓第二定律有；
A在圓軌道上運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能守恒，所以，A在c處的動(dòng)能

；
當(dāng)時(shí)，由機(jī)械能守恒可得A在c處的動(dòng)能，所以，A在c處的動(dòng)能為或；
又有A在b處的動(dòng)能；
A從b到c運(yùn)動(dòng)過(guò)程，只有摩擦力做功，且摩擦力；故由動(dòng)能定理可得： ，所以， 或；