Question

5．如圖所示，為一傳送裝置，其中AB段粗糙，AB段長為L=0.2m，動摩擦因數(shù)μ=0.6，BC、DEN段均可視為光滑，且BC的始、末端均水平，具有h=0.1m的高度差，DEN是半徑為r=0.4m的半圓形軌道，其直徑DN沿豎直方向，C位于DN豎直線上，CD間的距離恰能讓小球自由通過．在左端豎直墻上固定有一輕質彈簧，現(xiàn)有一可視為質點的小球，小球質量m=0.2kg，壓縮輕質彈簧至A點后由靜止釋放（小球和彈簧不粘連），小球剛好能沿DEN軌道滑下．求：
（1）小球到達N點的速度的大�。�
（2）壓縮的彈簧所具有的彈性勢能；
（3）小球運動到E點時對軌道的壓力．

Answer 1

分析 （1）小球剛好能沿DEN軌道滑下，在D點，由重力充當向心力，由牛頓第二定律求出D點的速度．由機械能守恒求出小球到達N點的速度的大小；
（2）從A到C的過程中，由動能定理求出彈簧具有的彈性勢能．
（3）從D到E由機械能守恒定律求出到達E點的速度，由牛頓運動定律求小球到達E點時對軌道的壓力．

解答 解：（1）小球剛好能沿DEN軌道滑下，則在半圓最高點D點必有：
  mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{r}$
則 v_D=$\sqrt{gr}$=$\sqrt{10×0.4}$m/s=2m/s
從D點到N點，由機械能守恒得：
 $\frac{1}{2}$mv_D²+mg•2r=$\frac{1}{2}$mv_N²                       
代入數(shù)據(jù)得：v_N=2$\sqrt{5}$m/s．
（2）彈簧推開小球的過程中，彈簧對小球所做的功W等于彈簧所具有的彈性勢能E_p，根據(jù)動能定理得
  W-μmgL+mgh=$\frac{1}{2}$mv_D²-0          
得 W=μmgL-mgh+$\frac{1}{2}$mv_D²=0.44J          
即壓縮的彈簧所具有的彈性勢能為0.44J．
（3）從D運動到E，由機械能守恒得：$\frac{1}{2}$mv_D²+mgr=$\frac{1}{2}$mv_E²                       
在E點有：N=m$\frac{{v}_{E}^{2}}{r}$
得 N=3mg=6N
根據(jù)牛頓第三定律知，小球到達N點時對軌道的壓力大小為6N．
答：
（1）小球到達N點時的速度為2$\sqrt{5}$m/s；
（2）壓縮的彈簧所具有的彈性勢能為0.44J；
（3）小球運動到E點時對軌道的壓力是6N．

點評 本題綜合考查了牛頓定律、動能定理和向心力知識的運用，關鍵要把握D點的臨界速度，掌握每個過程的規(guī)律．