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必修1
第四章 牛顿运动定律
4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)
斜面问题
如图所示为一款游戏装置的示意图。由固定的竖直轨道$BCD$和水平轨道$CEFGH$两部分组成。竖直轨道为倾角$\theta=30^\circ $长$s=3m$的粗糙斜面,水平轨道由长$L=1.5\;\rm m$的直轨道$EF$和两个半径为$R$的半圆轨道组成,半圆轨道的外侧均有光滑的圆弧挡板(图中未画出)。竖直轨道和水平轨道通过直轨道$CE$连接,所有轨道相互平滑连接。$G$和$H$之间的地面光滑,靠近$G$处放置与轨道等高、长度为$L_{0}=1.0\;\rm m$、质量为$M=1.0\;\rm kg$的长木板。现将质量$m=1.0\;\rm kg$、可视为质点的小滑块从$A$点以速度$v_{0}=\sqrt{3}\;\rm \text{m}/\text{s}$水平抛出,恰好沿切线方向进入斜面$BC$,并进入水平轨道,调节半圆轨道的半径$R$的大小,使滑块最终停在长木板上。已知滑块与斜面的动摩擦因数$\mu_{1}=\dfrac{\sqrt{3}}{5}$,与长木块上表面的动摩擦因数$\mu _{2}=0.4$,其余阻力均忽略不计,长木板与$G$和$H$处的固定桩相碰后以原速率反弹,且碰撞时间极短,重力加速度$g$取$10\;\rm m/s^{2}$,求:
滑块到达$B$点的速度大小;
$2\\;\\rm m/s$;
"]]恰好沿切线方向进入斜面$BC$,滑块到达$B$点的速度大小$v_{B}=\dfrac{v_{0}}{\cos\theta}=2\;\rm \text{m/s}$
滑块到达$C$点的速度大小;
$4\\;\\rm m/s$;
"]]滑块沿斜面方向加速度为$a_{1}=\dfrac{mg\sin\theta-\mu_{1}mg\cos\theta}{m}=2\;\rm \text{m/s}^{2}$
由速度位移关系可得$v_{C}^{2} − v_{B}^{2}=2a_{1}s$
到达$C$点的速度大小$v_{C}=4\;\rm m/s$;
长木板第一次与固定桩$H$相撞的速度大小;
$2\\;\\rm m/s$;
"]]由题可知$v_{D}=v_{C}=4\;\rm m/s$
假设滑块到达$H$点前能达到共同速度,设共同速度为$v$,由动量守恒定律$mv_{D}=(M+m)v$
解得$v=2.0\;\rm m/s$
滑块在长木板上相对运动时,滑块和长木板的加速度大小均为$a$,则$a=\mu g=4.0\;\rm m/s^{2}$
设刚达到共同速度时,滑块位移为$x_{1}$,长木板位移为$x_{2}$,由运动学公式$v^{2} − v_{D}^{2}=-2ax_{1}$
解得$x_{1}=1.5\;\rm m$
由$v^{2}=2ax_{2}$
解得$x_{2}=0.5\;\rm m$
则达到共同速度时滑块和长木板均刚好到达$H$处,长木板第一次与固定桩$H$相撞的速度大小为$2\;\rm m/s$;
半圆轨道半径$R$需要满足的条件。
$R=\\dfrac{n}{2\\pi}(\\text{m})$(其中$n=1, 2, 3…$)。
"]]滑块在水平轨道运动的时间与长木板来回碰撞的时间相等。$\dfrac{2\pi R+L}{v}=\dfrac{3\left( L-L_{0} \right)+2n\left( L-L_{0} \right)}{v}$
解得
$R=\dfrac{n}{2\pi}(\text{m})$(其中$n=1, 2, 3…$)。
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