Question

8．如圖所示，一輕質(zhì)彈簧左端固定在A點(diǎn)，自然狀態(tài)時(shí)其右端位于O點(diǎn)．水平向右側(cè)有一豎直光滑圓形軌道在C點(diǎn)與水平面平滑連接，圓心為O′，半徑R=0.4m．另一輕質(zhì)彈簧一端固定在O′點(diǎn)的軸上，一端栓著一個(gè)小球，彈簧的原長(zhǎng)為l₀=0.5m，勁度系數(shù)k=10N/m．用質(zhì)量m₁=0.4kg的物體將彈簧緩慢壓縮到B點(diǎn)（物體與彈簧不栓接），物塊與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.4，釋放后物塊恰運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)停止，BC間距離L=2m．換同種材料、質(zhì)量m₂=0.2kg的物塊重復(fù)上述過(guò)程．（物塊、小球均視為質(zhì)點(diǎn)，g=10m/s²）求：
（1）物塊m₂到C點(diǎn)時(shí)的速度大小v_C；
（2）若小球的質(zhì)量m₃=0.1kg，物塊與小球發(fā)生彈性碰撞，論證小球是否能通過(guò)最高點(diǎn)D？若能通過(guò)，求出最高點(diǎn)軌道對(duì)小球的彈力；若不能通過(guò)，求出小球離開(kāi)軌道時(shí)的位置和O′連線(xiàn)與豎直方向的夾角θ；
（3）在（2）問(wèn)的基礎(chǔ)上，若將小球換為質(zhì)量為m₃=0.2kg的小球，再次求解．

Answer 1

分析 （1）m₁和m₂從B到C有動(dòng)能定理列式，聯(lián)立方程可求得到達(dá)C點(diǎn)速度；
（2）物塊和小球彈性碰撞，根據(jù)動(dòng)量守恒定律以及機(jī)械能守恒定律列式，假設(shè)通過(guò)最高點(diǎn)，從C到D由動(dòng)能定理求的D點(diǎn)速度，在D點(diǎn)由牛頓第二定律即可判斷；
（3）若m₃=0.2kg，物塊和小球發(fā)生彈性對(duì)碰后交換速度，假設(shè)通過(guò)最高點(diǎn)，從C到D由動(dòng)能定理求的D點(diǎn)速度，在D點(diǎn)由牛頓第二定律即可判斷，在利用動(dòng)能定理即可求的夾角．

解答 解：（1）m₁從B到C的過(guò)程：E_P=μm₁gL
m₂從B到C的過(guò)程：E_P=μm₂gL+$\frac{1}{2}{m_2}v_C^2$
聯(lián)立解得：v_C=4m/s
（2）物塊和小球彈性碰撞：動(dòng)量守恒，設(shè)v_C的方向?yàn)檎�方向，根�?jù)動(dòng)量守恒定律得：${m_2}v_c^{\;}={m_2}v_1^{\;}+{m_3}v_2^{\;}$
機(jī)械能守恒得 $\frac{1}{2}{m_2}v_c^2=\frac{1}{2}{m_2}v_1^2+\frac{1}{2}{m_3}v_2^2$
聯(lián)立得：${v_2}=\frac{16}{3}m/s$
假設(shè)小球能到高點(diǎn)，從C到D的過(guò)程：$\frac{1}{2}{m_3}v_2^2-\frac{1}{2}{m_3}v_D^2=2{m_3}gR$
得：${v_D}=\frac{{4\sqrt{7}}}{3}m/s$
對(duì)D點(diǎn)有：$N+{m_3}g-k（{{l_0}-R}）={m_3}\frac{v_D^2}{R}$
得：$N=\frac{28}{9}N$，方向豎直向下
求解結(jié)果合理，假設(shè)正確，小球可以通過(guò)最高點(diǎn)．
（3）若m₃=0.2kg，物塊和小球發(fā)生彈性對(duì)碰后交換速度（同第二問(wèn)解答過(guò)程算出其碰后的速度），小球以v_C=4m/s向上運(yùn)動(dòng)，假設(shè)能到高點(diǎn)，
從C到D的過(guò)程：$\frac{1}{2}{m_3}v_2^2-\frac{1}{2}{m_3}v_D^2=2{m_3}gR$
得：v_D=0m/s
對(duì)D點(diǎn)有：$N+{m_3}g-k（{{l_0}-R}）={m_3}\frac{v_D^2}{R}$代入數(shù)據(jù)解得：N=-1N方向豎直向上
因軌道在最高點(diǎn)不能給小球豎直向上的彈力，說(shuō)明假設(shè)是錯(cuò)誤的，小球不可以通過(guò)最高點(diǎn)
設(shè)小球離開(kāi)軌道時(shí)的位置E和O'連線(xiàn)與豎直方向的夾角θ，此時(shí)小球速度v_E
由動(dòng)能定理：$\frac{1}{2}{m_3}v_E^2-\frac{1}{2}{m_3}v_C^2=-{m_3}g（R+Rcosθ）$
對(duì)E點(diǎn)：m₃gcosθ-k（l₀-R）=m₃$\frac{v_E^2}{R}$聯(lián)立解得：cosθ=$\frac{5}{6}$，即：θ=arccos$\frac{5}{6}$
答：（1）物塊m₂到C點(diǎn)時(shí)的速度大小v_C為4m/s；
（2）小球可以通過(guò)最高點(diǎn)；
（3）小球不可以通過(guò)最高點(diǎn)，小球離開(kāi)軌道時(shí)的位置和O′連線(xiàn)與豎直方向的夾角θ為arccos$\frac{5}{6}$．

點(diǎn)評(píng) 本題是動(dòng)能定理與向心力公式的綜合應(yīng)用來(lái)處理圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題．利用功能關(guān)系解題的優(yōu)點(diǎn)在于不用分析復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，只關(guān)心初末狀態(tài)即可，平時(shí)要加強(qiáng)訓(xùn)練深刻體會(huì)這一點(diǎn)．