问题 问答题

如图所示,光滑圆弧面BC与水平面和传送带分别相切于B、C两处,OC垂直于CD.圆弧所对的圆心角θ=37°,BC圆弧半径R=7m.足够长的传送带以恒定速率v=4m/s顺时针转动,传送带CD与水平面的夹角θ=37°.一质量m=1kg的小滑块从A点以v0=1Om/s的初速度向B点运动,A、B间的距离s=3.6m.小滑块与水平面、传送带之间的动摩擦因数均为u=0.5.重力加速度g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8.求:

(1)小滑块第一次滑到C点时的速度;

(2)小滑块到达的最高点离C点的距离;

(3)小滑块最终停止运动时距离B点的距离;

(4)小滑块返回圆弧最低点B时对轨道的压力.

答案

(1)C离A的高度:h=R-Rcosθ=R-0.8R=0.2R=1.4m

滑块从A到C的过程中有:-mgh-μmgs=

1
2
m
v2c
-
1
2
m
v20

代入数据解得:vc=6m/s.

(2)物体在传送带上运动的加速度大小为a1,则:

a1=gsinθ+μgcosθ=10×sin37°+0.5×10×cos37°=10m/s 2

设物体在传送带上达到与传送带等速时的时间为t 1,则:v=vc-a1t1

得:t1=

vc-v
a1
=
6-4
10
s=0.2s.

向上的位移:x1=vct1-

1
2
a1
t21
=6×0.2-
1
2
×10×0.22=1m

由于:mgsinθ>μmgcosθ

物体继续在传送带上减速上滑,加速度:

a2=gsinθ-μgcosθ=10×sin37°-0.5×10×cos37°=2m/s2

继续向上滑动的时间:t2=

v
a2
=
4
2
s=2s

继续向上滑动的位移:x2=vt2-

1
2
a2
t12
=4×2-
1
2
×2×22=4m

向上运动的最大距离:x=x1+x2=1m+4m=5m.

(3)滑块沿传送带返回C点的过程中:

v2C2
=2a2x

得:vC2=

2a2x
=
2×2×5m/s
=2
5
m/s

根据动能定理得,物体从C到停止:0-

1
2
m
v2C2
=mgh-μmgs

代入数据解得:s=4.8m

(4)设滑块在B点的速度是vB,则:0-

1
2
m
v2B
=-μmgs

又:FN-mg=

m
v2B
R

得:FN=mg+

m
v2B
R
=mg+
2μmgs
R
=1×10+
2×0.5×10×4.8
7
≈17N

答:(1)小滑块第一次滑到C点时的速度是6m/s;

(2)小滑块到达的最高点离C点的距离是5m;

(3)小滑块最终停止运动时距离B点的距离是4.8m;

(4)小滑块返回圆弧最低点B时对轨道的压力是17N.

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