问题 计算题

(8分)如图所示,AB是一段位于竖直平面内的光滑弧形轨道,高度为h,末端B处的切线沿水平方向。一个质量为m的小物体P(可视为质点)从轨道顶端A点由静止释放,滑到B点水平飞出,落在水平地面上的C点,其轨迹如图中虚线BC所示。已知P落地时相对于B点的水平位移OC=l。现于轨道下方紧贴B点安装一水平传送带,传送带右端E轮正上方与B点的水平距离为l/2。

(1)若保持传送带处于静止状态,使P仍从A点处由静止释放,它离开B端后先在传送带上滑行,然后从传送带上的E端水平飞出,恰好仍落在地面上的C点。求小物体与传送带间的动摩擦因数。

(2)若使传送带以速度v匀速向右运动,再使小物体P仍从A点由静止释放,最后其落点是D。不计空气阻力,试写出OD间距离s随传送带速度v变化的函数关系式。

答案

(1)小物块从AB的过程,机械能守恒,设运动到B点时的速度为vB,因此有  ,解得:

小物块从BC的过程,做平抛运动,运动时间 t=l/vB=

设在传送带保持静止的情况下,小物块从E点飞出时的速度为vE,同理,小物块从EC的过程沿水平方向有:l/2=vEt,解得:vE=

设小物块与传送带间的动摩擦因数为μ,则对于小物块从BE的过程根据动能定理有 μmgl/2=mvB2-mvE2

解得μ=

(2)对于传送带以速度v匀速运动时,有如下情况:

v时,小物块一直做匀减速运动,最后离开皮带时以速度v=vE=做平抛运动,s=l

<v<时,小物块在传送带上将先被减速,最终以速度v通过E点,则此时应有:

v>时,小物块的运动有两种可能:一是先加速后匀速,并以速度v通过E点;二是一直加速运动到通过E点时小物块的速度vE′仍小于v

对于小物块先加速后匀速的情况,仍应有

对于一直加速的情况,根据动能定理有

μmgl/2=m vE2-mvB2 , 解得vE′=

即当v>时,物块将以vE′=通过E点,此时应有

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