Question

19．兒童滑梯可以看成是由斜槽AB和水平槽CD組成，中間用很短的光滑圓弧槽BC連接，如圖所示．質(zhì)量為m的兒童從斜槽的頂點A由靜止開始沿斜槽AB滑下，再進入水平槽CD，最后停在水平槽上的E點，由A到E的水平距離設(shè)為L．假設(shè)兒童可以看作質(zhì)點，已知兒童的質(zhì)量為m，他與斜槽和水平槽間的動摩擦因數(shù)都為μ，A點與水平槽CD的高度差為h．
（1）求兒童從A點滑到E點的過程中，克服摩擦力做的功
（2）試分析說明，兒童沿滑梯滑下通過的水平距離 L與斜槽AB跟水平面的夾角無關(guān)．
（3）要使兒童沿滑梯滑下過程中的最大速度不超過v，斜槽與水平面的夾角不能超過多少？（可用反三角函數(shù)表示）

Answer 1

分析 （1）重力做功與路徑無關(guān)，只與初末位置有關(guān)；根據(jù)動能定理列式求解克服摩擦力做的功．
（2）對全程根據(jù)動能定理列式求解水平槽上滑行的位移表達式進行討論．
（3）對小孩在斜面上加速過程過程運用動能定理列式，求解出最大速度的表達式進行討論即可．

解答 解：（1）兒童由靜止開始滑下最后停在E點，由動能定理得：mgh-W₁=0，
則克服摩擦力做功為W₁=mgh；
（2）設(shè)斜槽AB與水平面的夾角為α，兒童從A點由靜止滑下，最后停在E點．
由動能定理得：$mgh-μmgcosα•\frac{h}{sinα}-μmg（L-hcotα）=0$，
解得：$L=\frac{h}{μ}$，它與角α無關(guān)．
（3）設(shè)傾角為α₀時有最大速度v，由動能定理得：
$mgh-μmgcos{α_0}•\frac{h}{{sin{α_0}}}=\frac{1}{2}m{v^2}$，
解得最大傾角：${α_0}=arccot（\frac{{2gh-{v^2}}}{2μgh}）$．
答：（1）兒童從A點滑到E點的過程中，克服摩擦力做的功為mgh；
（2）兒童沿滑梯滑下通過的水平距離 L與斜槽AB跟水平面的夾角無關(guān)，如上所述．
（3）要使兒童沿滑梯滑下過程中的最大速度不超過v，斜槽與水平面的夾角不能超過：arccot（$\frac{2gh-{v}^{2}}{2μgh}$）．

點評 本題中小孩從A到E過程中克服摩擦力做功等于μmgL，可以作為結(jié)論記住，根據(jù)該原理還可以測量動摩擦因素．