| 动能定理解决多过程问题 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理解决多过程问题

如图所示,$AB$为半径$R=5\;\rm m$的光滑圆弧轨道,对应的圆心角为$\theta=53^\circ$$AB$与水平粗糙轨道$BC$相切于$B$点,$BC$长度为$l=5\;\rm m$$CD$为半径$r=0.5\;\rm m$的竖直固定的光滑半圆轨道,$CD$$BC$相切于$C$点。将质量为$m=0.5\;\rm kg$可视为质点的滑块从图中的$A$点由静止释放,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$$\sin53^\circ=0.8$$\cos53^\circ=0.6$

求滑块运动到圆弧轨道最低点$B$时对轨道的压力大小;

[["

滑块运动到圆弧轨道最低点$B$时对轨道的压力大小为$9\\;\\rm N$

"]]

滑块从$A$$B$运动过程中,由机械能守恒定律得

$mgR(1-\cos\theta)= \dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

代入数据解得:$v_{B}=2\sqrt{10}\;\rm m/s$

在最低点,对滑块,由牛顿第二定律有

$F_{NB}-mg=m\dfrac{v_{B}^{2}}{R}$

解得:$F_{NB}=9\;\rm N$

由牛顿第三定律可知,滑块在最低点对轨道的压力大小为$9\;\rm N$

若滑块与粗糙水平面间的动摩擦因数$\mu =0.5$,滑块停在距$B$多远处?

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滑块停在距$B4m$

"]]

设滑块停在轨道$BC$上离$B$点距离为$L$

滑块在水平面上向右滑行过程,由动能定理得

$-\mu mgL=0- \dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

解得:$L=4\;\rm m$

若滑块与粗糙水平面间的动摩擦因数$\mu = \dfrac{1}{8}$,滑块能否到达$D$点?若能到达,滑块经过$D$点时对轨道的压力多大?

[["

能到达,滑块经过$D$点时对轨道的压力为$2.5\\;\\rm N$

"]]

设恰好到达$D$点时速度为$v_{D}$,则有$mg = m\dfrac{v_{D}^{2}}{r}$

解得:$v_{D} = \sqrt{5}\;\rm m/s$

假设滑块能到达$D$点,设滑块经过最高点$D$时速度为$v$,由$B$$D$,根据动能定理得

$-\mu mgl-mg\cdot 2r= \dfrac{1}{2}mv^{2} - \dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

解得:$v = \dfrac{1}{2}\sqrt{30}\;\rm m/s$

由于$v\gt v_{D}$

故滑块能达到$D$点。设在$D$点轨道对滑块的压力大小为$F_{ND}$,则$F_{ND} + mg = m\dfrac{v^{2}}{r}$

代入数据解得:$F_{ND}=2.5\;\rm N$

由牛顿第三定律可知,滑块经过$D$点时对轨道的压力为$2.5\;\rm N$

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