Question

4．如圖所示，水平軌道OP光滑，PM粗糙，PM長L=3.2m．OM與半徑R=0.15m的豎直半圓軌道MN平滑連接．小物塊A自O點以v₀=14m/s向右運動，與靜止在P點的小物塊B發(fā)生正碰（碰撞時間極短），碰后A、B分開，A恰好運動到M點停止．A、B均看作質點．已知A的質量m_A=1.0kg，B的質量m_B=2.0kg，A、B與軌道PM的動摩擦因數(shù)均為μ=0.25，g取10m/s²，求：
（1）碰后A、B的速度大��；
（2）碰后B沿軌道PM運動到M所需時間；
（3）若B恰好能到達半圓軌道最高點N，求沿半圓軌道運動過程損失的機械能．

Answer 1

分析 （1）由牛頓第二定律求出AB在PM之間運動時的加速度，由位移速度公式求出A碰撞后的速度，再對系統(tǒng)應用動量守恒求出碰撞后B的速度；
（2）由位移公式即可求出B在PM之間運動的時間；
（3）由速度公式求出求出B到達M的速度，根據(jù)過豎直平面內圓周的最高點的條件求出B在圓的最高點的速度，最后由動能定理即可求出．

解答 解：
（1）依牛頓第二定律，AB在PM上滑行時的加速度大小相同，皆為a，$a=\frac{{μ{m_A}g}}{m_A}=\frac{{μ{m_B}g}}{m_B}=μg$
代入數(shù)據(jù)得：a=2.5m/s²
由運動學知識，對A，$v_1^2=2aL$
得碰后速度v₁=4m/s
AB相碰的過程中系統(tǒng)水平方向的動量守恒，選取向右為正方向，得：m_Av₀=m_Av₁+m_Bv₂
得碰后B的速度v₂=5m/s
（2）對B，P到M的過程，有：$L=v_2^{\;}t-\frac{1}{2}at_{\;}^2$
結合（1）可解得：t₁=3.2s（不合，舍去）      t₂=0.8s
即所求時間t=0.8s
（3）B在M點的速度大小$v_3^{\;}=v_2^{\;}-at$
代入數(shù)值解得：v₃=3m/s
物體恰好過N點，滿足：$\frac{{{m_B}v_4^2}}{R}={m_B}g$
M-N過程，由功能關系可得$Q=\frac{1}{2}{m_B}v_3^2-\frac{1}{2}{m_B}v_4^2-2{m_B}gR$
聯(lián)立解得損失機械能：Q=1.5J
答：（1）碰后A、B的速度大小分別為4m/s和5m/s；
（2）碰后B沿軌道PM運動到M所需時間是0.8s；
（3）若B恰好能到達半圓軌道最高點N，沿半圓軌道運動過程損失的機械能是1.5J．

點評 本題主要考查了動量守恒定律以及機械能守恒定律的直接應用，解題時要先規(guī)定正方向，知道B球到達最高點時的臨界條件，難度適中．