如圖,半徑為R,光滑的
1
4
圓弧軌道固定在豎直平面內(nèi),與水平軌道CN相接.水平軌道的CD段光滑、DN段粗糙.一根輕質(zhì)彈簧一端固定在C處的豎直面上,另一端與質(zhì)量為2m的小物塊b剛好在D點(diǎn)接觸但不連接,彈簧處于自然長度.質(zhì)量為m的小物塊a從圓弧軌道頂端M點(diǎn)由靜止釋放并下滑,后與物塊b碰撞后一起向左壓縮彈簧(兩物塊不粘連).若
.
DN
=l,物塊a、b與軌道DN的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ1=0.1和μ2=0.2,重力加速度為g.求:
(1)小物塊a第一次經(jīng)過N點(diǎn)時(shí),軌道對a支持力的大。
(2)小物塊a與物塊b碰撞后瞬間的共同速度大。
(3)若a、b能且只能發(fā)生一次碰撞,試討論l與R的關(guān)系.
分析:(1)物塊a由M到N過程中,軌道的支持力不做功,機(jī)械能守恒,由機(jī)械能守恒定律求出物塊a第一次經(jīng)過N點(diǎn)時(shí)的速度.在N點(diǎn),對物塊a由重力和軌道的支持力的合力提供其向心力,根據(jù)牛頓第二、第三定律求解物塊a第一次經(jīng)過N點(diǎn)時(shí)對軌道的壓力.
(2)物塊a從N滑至D過程中,由動(dòng)能定理可求出與b碰撞前的速度大小.a(chǎn)、b碰撞過程,根據(jù)動(dòng)量守恒定律求出碰后的共同速度.
(3)根據(jù)動(dòng)能定理和動(dòng)量守恒定律求出a、b一起壓縮彈簧時(shí)的速度,根據(jù)物塊a到達(dá)D點(diǎn)的速度不為零,求出l的范圍,以及知道a、b只發(fā)生一次碰撞,物塊a滑上圓弧軌道又返回,最終停在水平軌道上P點(diǎn),物塊b在水平軌道上勻減速滑至P點(diǎn)也恰好停止.結(jié)合動(dòng)能定理求出l的范圍.
解答:解:(1)物塊a由M到N過程中,由機(jī)械能守恒有:mgr=
1
2
mv
 
2
1
   ①
由牛頓第二定律有:F-mg=
m
v
2
1
R
   ②
聯(lián)立①②解得:軌道對a支持力 F=3mg
(2)物塊a從N滑至D過程中,由動(dòng)能定理有:-μ1mgl=
1
2
m
v
2
D1
-
1
2
m
v
2
1
   ③
物塊a、b在D點(diǎn)碰撞,根據(jù)動(dòng)量守恒有:mvD1=3mvD2
解得兩物塊在D點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)的速度 vD2=
2g(R-0.1l)
3

(3)a、b一起壓縮彈簧后又返回D點(diǎn)時(shí)速度大小vD3=
2g(R-0.1l)
3
  ⑤
由于物塊b的加速度大于物塊a的加速度,所以經(jīng)過D點(diǎn)后,a、b兩物塊分離,同時(shí)也與彈簧分離.討論:①假設(shè)a在D點(diǎn)時(shí)的速度vD1=0,即l=10R,要使a、b能夠發(fā)生碰撞,則l<10R ②假設(shè)物塊a滑上圓弧軌道又返回,最終停在水平軌道P點(diǎn),物塊b在水平軌道上勻減速滑至P點(diǎn)也恰好停止,設(shè)
.
PN
=x,則
.
DP
=l-x,
根據(jù)能量守恒,對a物塊 μ1mg(l+x)=
1
2
m
v
2
D3
  ⑥
對b物塊μ22mg(l-x)=
1
2
2mv
 
2
D3
  ⑦
由以上兩式解得:x=
1
3
l,⑧
將x=
1
3
l
代人 μ1mg(l+x)=
1
2
m
v
2
D3

解得:l=
10
13
R  ⑨
要使a、b只發(fā)生一次碰撞,則l≥
10
13
R
  ⑩
綜上所述,當(dāng)10R>l≥
10
13
R
時(shí),a、b能且只能發(fā)生一次碰撞.
答:
(1)小物塊a第一次經(jīng)過N點(diǎn)時(shí),軌道對a支持力的大小為3mg.
(2)小物塊a與物塊b碰撞后瞬間的共同速度大小為
2g(R-0.1l)
3

(3)若a、b能且只能發(fā)生一次碰撞,討論l與R的關(guān)系見上.
點(diǎn)評:本題綜合考查了機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量守恒定律和動(dòng)能定理,對學(xué)生能力的要求較高.要注意本題中含有非彈性碰撞,彈簧彈性最大值不等于碰撞前物塊a的動(dòng)能.
練習(xí)冊系列答案
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(2006?重慶)如圖,半徑為R的光滑圓形軌道固定在豎直面內(nèi).小球A、B質(zhì)量分別為m、βm(β為待定系數(shù)).A球從左邊與圓心等高處由靜止開始沿軌道下滑,與靜止于軌道最低點(diǎn)的B球相撞,碰撞后A、B球能達(dá)到的最大高度均為
14
R
,碰撞中無機(jī)械能損失.重力加速度為g.試求:
(1)待定系數(shù)β;
(2)第一次碰撞剛結(jié)束時(shí)小球A、B各自的速度和B球?qū)壍赖膲毫Γ?BR>(3)小球A、B在軌道最低處第二次碰撞剛結(jié)束時(shí)各自的速度,并討論小球A、B在軌道最低處第n次碰撞剛結(jié)束時(shí)各自的速度.

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3gR
.求:
(1)小球經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)速度的大。
(2)小球釋放時(shí)的高度h.
(3)水平軌道CD段的長度l.

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如圖,半徑為R的光滑圓形軌道固定在豎直面內(nèi).小球A、B質(zhì)量分別為m、3m.A球從左邊某高處由靜止釋放,并與靜止于軌道最低點(diǎn)的B球相撞,碰撞后A球被反向彈回,且A、B球能達(dá)到的最大高度均為
14
R.重力加速度為g.試求:
(1)碰撞剛結(jié)束時(shí)小球A、B各自的速度大小和B球?qū)壍赖膲毫Υ笮。?br />(2)碰前A球的釋放點(diǎn)多高?
(3)通過計(jì)算說明,碰撞過程中,A、B球組成的系統(tǒng)有無機(jī)械能損失?若有損失,求出損失了多少?

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