Question

1．某游樂(lè)場(chǎng)水上滑梯的簡(jiǎn)化模型如圖所示：傾角θ=37°斜滑道AB和水平滑道BC平滑連接，起點(diǎn)A距水面的高度H=7m，BC長(zhǎng)d=2m，端點(diǎn)C距水面的高度h=1m．質(zhì)量m=50kg的運(yùn)動(dòng)員從滑道起點(diǎn)A點(diǎn)無(wú)初速地自由滑下，運(yùn)動(dòng)員與AB、BC間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=0.1．已知cos37°=0.8，sin37°=0.6，運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可視為質(zhì)點(diǎn)，g取10m/s²．求：
（1）運(yùn)動(dòng)員從A滑到C的過(guò)程中，在AB段和BC段克服摩擦力所做的功分別為多大；
（2）運(yùn)動(dòng)員到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度大小v；
（3）保持水平滑道左端點(diǎn)在同一豎直線上，調(diào)節(jié)水平滑道高度h和長(zhǎng)度d到圖中B′C′位置時(shí)，若要運(yùn)動(dòng)員從滑梯平拋到水面的水平位移最大，求此時(shí)滑道B′C′距水面的高度h′．

Answer 1

分析 （1）摩擦力是恒力，直接根據(jù)功的公式求出A到C過(guò)程中克服摩擦力做功的大小．
（2）對(duì)整個(gè)過(guò)程運(yùn)用動(dòng)能定理列式求解運(yùn)動(dòng)員到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度v；
（3）先根據(jù)動(dòng)能定理和平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律列式后聯(lián)立得到射程的表達(dá)式，然后再求解最大值．

解答 解：（1）運(yùn)動(dòng)員從A滑到C的過(guò)程中，在AB段和BC段克服摩擦力所做的功分別為：
W_AB=μmgcosθ（$\frac{H-h}{sinθ}$）=400J
W_BC=μmgcosθd=100J
（2）運(yùn)動(dòng)員從A滑到C的過(guò)程中，根據(jù)動(dòng)能定理有：根據(jù)動(dòng)能定理得：
mg（H-h）-W=$\frac{1}{2}$mv²-0
解得運(yùn)動(dòng)員滑到C點(diǎn)時(shí)速度的大小為：v=10 m/s                    
（3）在從C′點(diǎn)滑出至落到水面的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t，則有：
h′=$\frac{1}{2}g{t}^{2}$
解得：t=$\sqrt{\frac{2h′}{g}}$
下滑過(guò)程中克服摩擦做功保持不變，為：W=500J                      
根據(jù)動(dòng)能定理得：mg（H-h′）-W=$\frac{1}{2}$mv²-0
可得：v=$\sqrt{2g（2H-1-h′）}$
運(yùn)動(dòng)員在水平方向的位移為：x=vt=$\sqrt{2g（2H-1-h′）}$•$\sqrt{\frac{2h′}{g}}$=2$\sqrt{（H-1-h′）h′}$
根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)知，當(dāng)h′=H-1-h′，即 h′=$\frac{H-1}{2}$=3m時(shí)，水平位移最大
答：（1）在AB段和BC段克服摩擦力所做的功分別為400J，100J．
（2）運(yùn)動(dòng)員到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度大小為10 m/s．   
（3）若要運(yùn)動(dòng)員從滑梯平拋到水面的水平位移最大，此時(shí)滑道B′C′距水面的高度h′為3m．

點(diǎn)評(píng) 本題關(guān)鍵是分析清楚物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后運(yùn)用動(dòng)能定理和平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律列式求解．對(duì)于極值問(wèn)題，往往根據(jù)物理規(guī)律得到解析式，再由數(shù)學(xué)知識(shí)求解．