如图所示,地面和半圆轨道面PTQ均光滑.质量M=1kg、长L=4m的小车放在地面上,右端与墙壁的距离为S=3m,小车上表面与半圆轨道最低点P的切线相平.现有一质量m=2kg的滑块(不计大小)以vo=6m/s的初速度滑上小车左端,带动小车向右运动.小车与墙壁碰撞时即被粘在墙壁上,已知滑块与小车表面的滑动摩擦因数μ=0.2,g取10m/S2.求:
(1)滑块在小车上运动的过程中,滑块和小车的加速度大小分别为多少?
(2)判断小车与墙壁碰撞前是否已与滑块相对静止,并求小车与墙壁碰撞时滑块的速度.
(3)若滑块在圆轨道滑动的过程中不脱离轨道,求半圆轨道半径R的取值范围.
(1)由牛顿第二定律得:
对木块有:-μmg=ma1解得:a1=-2m/s2
对小车有:μmg=Ma2解得:a1=4m/s2
(2)设滑块与小车的共同速度为v1,滑块与小车相对运动过程中动量守恒,有
mv0=(m+M)v1
代入数据解得
v1=4m/s
设滑块与小车的相对位移为 L1,由系统能量守恒定律,有
μmgL1=
mv02-1 2
(m+M)v121 2
代入数据解得 L1=3m
设与滑块相对静止时小车的位移为S1,根据动能定理,有
μmgS1=
Mv12-01 2
代入数据解得S1=2m
因L1<L,S1<S,说明小车与墙壁碰撞前滑块与小车已具有共同速度,且共速时小车与墙壁还未发生碰撞,故小车与碰壁碰撞时的速度即v1=4m/s.
(2)滑块将在小车上继续向右做初速度为v1=4m/s,位移为L2=L-L1=1m的匀减速运动,然后滑上圆轨道的最低点P.
若滑块恰能滑过圆的最高点,设滑至最高点的速度为v,临界条件为
mg=mv2 R
根据动能定理,有
-μmgL2-mg•2R=
mv2-1 2
mv121 2
联立并代入数据解得R=0.24m
若滑块恰好滑至
圆弧到达T点时就停止,则滑块也能沿圆轨道运动而不脱离圆轨道.1 4
根据动能定理,有
-μmgL2-mg•R=0-
mv121 2
代入数据解得R=0.6m
综上所述,滑块能沿圆轨道运动而不脱离圆轨道,半圆轨道的半径必须满足
R≤0.24m或R≥0.6m
答:(1)滑块在小车上运动的过程中,滑块的加速度大小为2m/s2,小车的加速度大小为4m/s2;
(2)小车与墙壁碰撞时的速度是4m/s;
(3)要滑块能沿圆轨道运动而不脱离圆轨道,半圆轨道的半径R的取值为R≤0.24m或R≥0.6m.