Question

如圖所示，質(zhì)量為m=1kg的可視為質(zhì)點(diǎn)的小物塊輕輕放在水平勻速運(yùn)動(dòng)的傳送帶上的P點(diǎn)，隨傳送帶運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)后水平拋出，小物塊恰好無(wú)碰撞的沿圓弧切線從B點(diǎn)進(jìn)入豎直光滑圓弧軌道下滑，圓弧軌道與質(zhì)量為M=2kg的足夠長(zhǎng)的小車(chē)左端在最低點(diǎn)O點(diǎn)相切，并在O點(diǎn)滑上小車(chē)，水平地面光滑，當(dāng)物塊運(yùn)動(dòng)到障礙物Q處時(shí)與Q發(fā)生無(wú)機(jī)械能損失的碰撞，碰撞前物塊和小車(chē)已經(jīng)相對(duì)靜止，而小車(chē)可繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)（物塊始終在小車(chē)上），小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中和圓弧無(wú)相互作用．已知圓弧半徑R=1.0m，圓弧對(duì)應(yīng)圓心角的θ為53°，A點(diǎn)距水平面的高度h=0.8m，物塊與小車(chē)間的動(dòng)摩擦因素為μ=0.1，重力加速度g=10m/s²，sin53°=0.8，cos53°=0.6．試求：
（1）小物塊離開(kāi)A點(diǎn)的水平初速度v₁；
（2）小物塊經(jīng)過(guò)O點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力；
（3）第一次碰撞后直至靜止，物塊相對(duì)小車(chē)的位移和小車(chē)做勻減速運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間．

Answer 1

【答案】分析：（1）利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在B點(diǎn)對(duì)速度進(jìn)行正交分解，得到水平速度和豎直方向速度的關(guān)系，而豎直方向速度V_y²=2gh顯然易求，則水平速度可解．
（2）首先利用動(dòng)能定理解決物塊在最低點(diǎn)的速度問(wèn)題，然后利用牛頓第二定律在最低點(diǎn)表示出向心力，則滑塊受到的彈力可解．根據(jù)牛頓第三定律可求對(duì)軌道的壓力．
（3）第一次碰撞后，滑塊以原速率返回，小車(chē)減速，當(dāng)滑塊速度減為零后反向加速度時(shí)，小車(chē)仍然減速，知道兩者速度相同，一起向右；之后重復(fù)這個(gè)過(guò)程，小車(chē)與滑塊有相對(duì)滑動(dòng)的過(guò)程中，小車(chē)勻減速；根據(jù)功能關(guān)系列式求相對(duì)路程，根據(jù)速度時(shí)間關(guān)系公式求解小車(chē)的減速時(shí)間．
解答：解：（1）對(duì)小物塊由A到B有：V_y²=2gh
在B點(diǎn)：
解得：v₁=3m/s
故小物塊離開(kāi)A點(diǎn)的水平初速度v₁為3m/s．
（2）由A到O，根據(jù)動(dòng)能定理有：
在O點(diǎn)：
解得：
F_N=43N
故壓力F′_N=43N
故小物塊經(jīng)過(guò)O點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力為43N．
（3）摩擦力f=μmg=1N，物塊滑上小車(chē)后，滑塊減速運(yùn)動(dòng)，加速度大小為；
小車(chē)加速運(yùn)動(dòng)，加速度大小為；
經(jīng)過(guò)時(shí)間t達(dá)到的共同速度為v_t，則
  
 得
由于碰撞不損失能量，物塊在小車(chē)上重復(fù)做勻減速和勻加速運(yùn)動(dòng)，相對(duì)小車(chē)始終向左運(yùn)動(dòng)，與小車(chē)最終靜止，摩擦力做功使動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故有：
  
得s_相=5.5m
小車(chē)從物塊碰撞后開(kāi)始做勻減速運(yùn)動(dòng)，（每個(gè)減速階段）加速度a不變
v_t=a_Mt
得t=
第一次碰撞后直至靜止，物塊相對(duì)小車(chē)的位移為5.5m，小車(chē)做勻減速運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為．
點(diǎn)評(píng)：本題前兩問(wèn)是一個(gè)單物體多過(guò)程的力學(xué)問(wèn)題，把復(fù)雜的過(guò)程分解成幾個(gè)分過(guò)程是基本思路；第三問(wèn)是一個(gè)多過(guò)程問(wèn)題，要分析清楚兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)情況，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和功能關(guān)系列式求解．