问题 问答题

如图所示,长度为L=0.9m、质量为m=1kg的木板Q放在粗糙的水平面上,Q的上表面和两个半径为R=0.2m的

1
4
光滑圆弧轨道底端相切,已知两圆弧最底端之间的距离为d=1.0m.质量也为m=1kg的小滑块P从左侧圆弧最高点(和圆心A、B等高)以竖直向下的初速度v0=
5
m/s开始下滑,小滑块恰不能冲出右侧的圆弧,在此过程中小滑块P和木板Q未共速,Q到右(左)圆弧底端与右(左)壁相碰后便停止运动不反弹,重力加速度为g=10m/s2,求:

(1)P、Q之间的动摩擦因数;

(2)此过程中水平面对Q的摩擦力所做的功;

(3)P最终停止位置到右圆弧底端的距离.

答案

设Q与水平面间的动摩擦因数为μ1,P、Q间的动摩擦因数为μ2

(1)设P到左圆弧最底端的速度为v1,对P从开始运动到左圆弧最底端应用动能定理有:

1
2
mv12-
1
2
mv02=mgR

解得v1=3m/s.

设P到右圆弧最底端的速度为v2,因为P滑上右圆弧轨道恰能滑到最高点,在此过程中,对P应用动能定理有:

0-

1
2
mv22=-mgR

P在Q上滑动,对P应用动能定理有:

1
2
mv22-
1
2
mv12=-μ2mgd

联立解得v2=2m/s,μ2=0.25.

(2)P在Q上向右做匀减速运动,P的加速度大小为a12g,方向向左

Q向右做匀加速运动,加速度大小为a2=

μ2mg-μ1(m+m)g
m
=μ2g-2μ1g,方向向右.

设P在Q上运动的时间为t1,应用运动学公式可知,

t1=

v2-v1
-a1
=0.4s.

对Q有d-L=

1
2
a2t12,水平面对Q的摩擦力做功为Wf=-μ1(2m)g(d-L)

联立解得:a2=1.25m/s2,μ1=0.0625,Wf=-0.125J.

(3)P第一次从左圆弧最底端到右圆弧最底端受到的作用力不变,根据动能定理可知,动能减小量△Ek2mgd=2.5J.

假设P能从右圆弧最底端到左圆弧最底端,到底端时的动能为

1
2
mv32=
1
2
mv22-△Ek<0.

说明小滑块从右圆弧最底端不能到达左圆弧最底端.

假设P、Q可达到共同速度v3,需时间t,则有:v3=v2-a1t=a2t.

解得v3=

2
3
m/s,t=
8
15
s

在此过程中Q的运动位移x1=

v32
2a2
=
8
45
m>0.1m,说明P、Q不可能达到共同速度,Q向左运动0.1m与左壁碰撞而停止运动,P向左运动位移x2=
v22
2a1
=0.8m
停止运动,P最终停止位置到右圆弧底端的距离为0.8m.

答:(1)P、Q之间的动摩擦因数为0.25.

(2)此过程中水平面对Q的摩擦力所做的功为-0.125J.

(3)P最终停止位置到右圆弧底端的距离为0.8m.

单项选择题
问答题