高中 | 斜面问题 题目答案及解析

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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

滑沙运动是继滑冰、滑水、滑雪,还有滑草之后另一新兴运动,它使户外运动爱好者在运动的同时又能领略到沙漠的绮丽风光。此项目尤其博得青年人的喜爱。某景区由于滑道较长、较陡峭,人滑到底端时速度过大,极具危险性。为此,某同学提出了如下设想,在滑道底端设置一个较长的传送带,利用传送带对人和滑沙板进行减速,简化模型如图所示。倾斜传送带沿顺时针方向以$v_{0}=2\;\rm m/s$的速度匀速转动,传送带的长$L=180\;\rm m$,倾角$\theta=37^\circ$,传送带左侧是倾斜滑道,滑道底端通过一小段光滑圆弧轨道与传送带下端衔接,圆弧轨道两端分别与斜面和传送带相切,倾斜滑道的倾角$\alpha=53^\circ$,滑道顶端高$H=256\;\rm m$,该同学做了如下实验,将滑块$P$由滑道顶端静止释放,同时将滑块$Q$沿传送带从顶端向下以初速度$v_{01}=4\;\rm m/s$抛出,滑块$P$$Q$与传送带间的动摩擦因数均为$\mu _{1}=0.8$,滑块$P$与滑道之间的动摩擦因数$\mu_{2}=\dfrac{4}{15}$,忽略两滑块的大小及在下端圆弧轨道上的运行时间,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$$\sin37^\circ=0.6$$\cos37^\circ=0.8$,试求:

判断滑块$P$$Q$是否能够相遇?如果能相遇,求从开始到相遇所需要的时间$t$和相遇时到传送带底端的距离$x$,如果不能相遇,求$P$$Q$间的最小距离$s$

[["

能相遇,$t=15\\;\\rm s$$x=165\\;\\rm m$

"]]

对滑块$Q$,沿传送带下滑过程中$\tan\theta=\tan 37{^\circ}=\dfrac{3}{4} \lt \mu$

滑块$Q$沿传送带向下做匀减速直线运动$\mu _{1}m_{Q}g\cos \theta − m_{Q}g\sin \theta=m_{Q}a_{1}$

$a_{1}=0.4\;\rm m/s^{2}$

$0=v_{01} − a_{1}t_{1}$

$t_{1}=10\;\rm s$

又因为$0 − v_{01}^{2}=-2a_{1}x_{1}$

$x_{1}=20\;\rm m$

对滑块$P$,沿滑道下滑过程$m_{P}g\sin \alpha − \mu _{2}m_{P}g\cos \alpha=m_{P}a_{2}$

$a_{2}=6.4\;\rm m/s^{2}$

下滑到滑道底端的速度及所需要的时间$v_{2}=a_{2}t_{2}$

$\dfrac{H}{\sin\alpha}=\dfrac{1}{2}a_{2}t_{2}^{2}$

$t_{2}=10\;\rm s$

$v_{2}=64\;\rm m/s$

滑块$P$下滑到轨道底端时,滑块$Q$速度刚好减为零,此时两滑块间距离$\Delta x=L − x_{1}=160\;\rm m$

之后滑块$Q$被传送带带着反向加速,滑块$P$滑上传送带沿传送带减速上滑。

滑块$Q$加速 到与传送带共速时$v_{0}=a_{1}t_{3}$

$t_{3}=5\;\rm s$

$v_{0}^{2}=2a_{1}x_{2}$

$x_{2}=5\;\rm m$

滑块$P$减速到与传送带共速时$m_{P}g\sin \theta+\mu _{1}m_{P}g\cos \theta=m_{P}a_{3}$

$a_{3}=12.4\;\rm m/s^{2}$

$v_{0}^{2} − v_{2}^{2}=-2a_{3}x_{3}$

$x_{3}=165\;\rm m$

$v_{0}=v_{2} − a_{3}t_{4}$

$t_{4}=5\;\rm s$

$x_{3} − x_{2}=160\;\rm m$

由于$\Delta x=x_{3} − x_{2}$

$t_{4}=t_{3}$

所以两滑块与传送带共速时恰好相遇。

从开始到相遇的时间$t=t_{1}+t_{3} − 15\;\rm s$

相遇的位置为距离传送带底端$165\;\rm m$处;

滑块$P$$Q$在传送带上滑动时相对于传送带的路程分别是多少。

[["

$45\\;\\rm m$$155\\;\\rm m$

"]]

滑块$P$在传送带上运动过程,对传送带$x_{4}=v_{0}t_{4}=10\;\rm m$

滑块$P$相对于传送带的路程为$\Delta s_{1}=x_{3} − x_{4}=155\;\rm m$

滑块$Q$沿传送带下滑过程:对传送带$x_{5}=v_{0}t_{1}=20\;\rm m$

滑块$Q$沿传动带上滑过程:对传送带$x_{6}=v_{0}t_{3}=10\;\rm m$

滑块$Q$相对于传送带的路程为$\Delta s_{2}=x_{1}+x_{5}+x_{6} − x_{2}=45\;\rm m$

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