Question

1．過山車是游樂場中常見的設(shè)施．如圖是一種過山車的簡易模型，它由水平軌道和在豎直平面內(nèi)半徑R=1.0m的圓形軌道組成，B、C分別是圓形軌道的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)．一個(gè)質(zhì)量為m=1.0kg的小滑塊（可視為質(zhì)點(diǎn)），從軌道的左側(cè)A點(diǎn)以v₀=10m/s的初速度沿軌道向右運(yùn)動，A、B間距L=9m．小滑塊與水平軌道間的動摩擦因數(shù)μ=0.20．圓形軌道是光滑的，圓形軌道右側(cè)的水平軌道足夠長．取重力加速度g=10m/s²．求：
（1）滑塊經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)的速度大小v_B；
（2）滑塊經(jīng)過C點(diǎn)時(shí)受到軌道的作用力大小F；
（3）滑塊最終停留點(diǎn)D（圖中未畫出）與起點(diǎn)A的距離s．

Answer 1

分析 （1）對滑塊的運(yùn)動過程進(jìn)行分析．從A到B，只有摩擦力做功，根據(jù)動能定理得求得小滑塊經(jīng)過B點(diǎn)的速度；
（2）運(yùn)用動能定理求出滑塊經(jīng)過圓軌道的最高點(diǎn)C時(shí)的速度，再對滑塊在圓軌道的最高點(diǎn)進(jìn)行受力分析，并利用牛頓第二定律求出軌道對滑塊作用力F．
（3）滑塊在整個(gè)運(yùn)動的過程中，摩擦力做功與滑塊動能的變化，寫出方程即可求得s．

解答 解：（1）從A到B，根據(jù)動能定理得：
-μmgL=$\frac{1}{2}$m${v}_{B}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$ 
代入數(shù)據(jù)解得：v_B=8m/s
（2）從B到C，根據(jù)機(jī)械能守恒得：
  $\frac{1}{2}$m${v}_{B}^{2}$=$\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}$+2mgR
小滑塊在最高點(diǎn)時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律得：
  mg+F=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$
得：F=14N
（3）小滑塊在整個(gè)運(yùn)動的過程，根據(jù)動能定理得：
-μmgs=0-$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$ 
得：s=$\frac{{v}_{0}^{2}}{2μg}$=25m
答：（1）滑塊經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)的速度大小v_B是8m/s．
（2）滑塊經(jīng)過C點(diǎn)時(shí)受到軌道的作用力大小F是14N．
（3）滑塊最終停留點(diǎn)D（圖中未畫出）與起點(diǎn)A的距離s是25m．

點(diǎn)評 本題要靈活選取研究過程，運(yùn)用動能定理解題．動能定理的優(yōu)點(diǎn)在于適用任何運(yùn)動包括曲線運(yùn)動．