Question

【題目】如圖（a）所示，AB段是長S=10m的粗糙水平軌道，BC段是半徑R=2.5m的光滑半圓弧軌道．有一個質(zhì)量m=0.1kg的小滑塊，靜止在A點，受一水平恒力F作用，從A點開始向B點運動，剛好到達(dá)B點時撤去力F．小滑塊經(jīng)過半圓弧軌道B點時，用DIS力傳感器測得軌道對小滑塊支持力的大小為FN，若改變水平恒力F的大小，FN會隨之變化，實驗得到FN﹣F圖象如圖（b），g取10m/s2．

（1）若小滑塊經(jīng)半圓弧軌道從C點水平拋出，恰好落在A點，則小滑塊在C點的速度大小；

（2）滑塊與水平軌道間的動摩擦因數(shù)為多大？

（3）要使小滑塊始終不脫離軌道，求水平恒力F的范圍；

Answer 1

【答案】（1）小滑塊在C點的速度大小為10m/s．

（2）滑塊與水平軌道間的動摩擦因數(shù)為0.25．

（3）水平恒力F的范圍為F≥0.875N或025N＜F≤0.5N

【解析】試題分析：（1）小物塊離開C點做平拋運動，根據(jù)高度求出平拋運動的時間，結(jié)合水平位移求出C點的速度．

（2）根據(jù)動能定理，結(jié)合牛頓第二定律抓住豎直方向上的合力提供向心力求出支持力與F的關(guān)系式，通過圖象，當(dāng)F=0.5N，FN=3N求出動摩擦因數(shù)．

（3）要使小滑塊始終不脫離軌道，一種情況是當(dāng)小球運動到與O點等高時速度恰好為零，另一種情況是恰好到最高點由重力提供向心力．結(jié)合動能定理和牛頓第二定律求出F的范圍．

解：（1）小滑塊作平拋運動，設(shè)C點的速度為vC則 s=vct （1）

（2）

由（1）、（2）式得

（2）A到B過程，由動能定理

（3）

在B點，（4）

由（3）、（4）得（5）

由圖象得，當(dāng)F=0.5N，FN=3N代入（5）式得μ=0.25．

（3）要使小滑塊始終不脫離軌道，則當(dāng)小球運動到與O點等高時速度恰好為0，或恰好到最高點由重力提供向心力．

①當(dāng)小球運動到與O點等高時速度恰好為零，

Fs﹣μmgs﹣mgR=0 （6）

同時要求小滑塊能運動到B點（7）

由（6）、（7）式得025N＜F≤0.5N 小滑塊始終不脫離軌道

②當(dāng)恰好到最高點由重力提供向心力．

（8）

（9）

由（8）、（9）式得F=0.875N，故當(dāng)F≥0.875N時小滑塊始終不脫離軌道．

答：（1）小滑塊在C點的速度大小為10m/s．

（2）滑塊與水平軌道間的動摩擦因數(shù)為0.25．

（3）水平恒力F的范圍為F≥0.875N或025N＜F≤0.5N．