Question

3．如圖所示，AB為半徑R=0.8m的$\frac{1}{4}$光滑圓弧軌道，下端B恰與小車右端平滑對接．小車質(zhì)量M=3kg，車長L=2.06m．現(xiàn)有一質(zhì)量m=1kg的滑塊，由軌道頂端無初速釋放，滑到B端后沖上小車．已知地面光滑，滑塊與小車上表面間的動摩擦因數(shù)μ=0.3，當車運行了1.5s時，車被地面裝置鎖定．（g=10m/s²）試求：
（1）滑塊運動到B點時速度的大��；
（2）車被鎖定時，車右端距軌道B端的距離；
（3）整個過程中滑塊由于摩擦在車表面留下的痕跡長度．

Answer 1

分析 （1）滑塊從光滑圓弧軌道過程，只有重力做功，由機械能守恒定律求出滑塊到B端的速度大�。�
（2）當滑塊滑上小車后，滑塊向左做勻減速運動，小車向左做勻加速運動，根據(jù)牛頓第二定律分別求出滑塊和小車的加速度，由運動式求出兩者速度相同經(jīng)過的時間，確定兩者的運動情況．再求解車右端距軌道B端的距離．
（3）由位移公式求求出滑塊相對于小車的位移△x，對小滑塊在車被鎖定后相對車滑動過程，運用動能定理求兩者相對位移，從而得到滑塊由于摩擦在車表面留下的痕跡長度．

解答 解：（1）滑塊從光滑圓弧軌道過程，根據(jù)機械能守恒定律得
  mgR=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
得：v=4m/s                
（2）當滑塊滑上小車后，由牛頓第二定律：
對滑塊有：-μmg=ma₁；                          
對小車有：μmg=Ma₂；                    
設經(jīng)時間t兩者達到共同速度，則有：v+a₁t=a₂t       
解得 t=1 s                                     
由于1s＜1.5s，此時小車還未被鎖定，兩者的共同速度：
  v′=a₂t=1m/s                                           
兩者以共同速度運動時間為 t′=0.5s．                         
故車被鎖定時，車右端距軌道B端的距離：S=$\frac{1}{2}{a}_{2}{t}^{2}+v′t′$=1m       
（3）從車開始運動到被鎖定的過程中，滑塊相對小車滑動的距離：
△S=$\frac{v+v′}{2}t$-$\frac{1}{2}{a}_{2}{t}^{2}$=2m                   
對小滑塊在車被鎖定后相對車滑動過程，假設一直減速設末速度為v′，由動能定理得：
-μmgx=0-$\frac{1}{2}mv{′}^{2}$         
解得 x=$\frac{1}{6}$m＞L-△S=0.06m
故痕跡長即為板長：L=2.06m                             
答：
（1）滑塊運動到B點時速度的大小是4m/s；
（2）車被鎖定時，車右端距軌道B端的距離是1m；
（3）整個過程中滑塊由于摩擦在車表面留下的痕跡長度是2.06m．

點評 本題的關鍵之處在于分析滑塊和小車速度相同所經(jīng)歷的時間，與1.5s進行比較來分析兩者的運動情況．本題也可以根據(jù)動量守恒定律和能量守恒定律結(jié)合解答．