问题 计算题

如图,水平地面和半圆轨道面均光滑,质量M=1kg的小车静止在地面上,小车上表面与m的半圆轨道最低点P的切线相平。现有一质量m=2kg的滑块(可视为质点)以=6m/s的初速度滑上小车左端,二者共速时小车还未与墙壁碰撞,当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

小题1:求小车的最小长度。

小题2:讨论小车的长度L在什么范围,滑块能滑上P点且在圆轨道运动时不脱离圆轨道?

答案

小题1:

小题2:<7m 

(1)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:

 ……………………………………………………………(2分)

代入数据解得:  …………………………………………………(2分)

设小车的最小长度为L1,由系统能量守恒定律,有:

 ……………………………………………(2分)

代入数据解得: ………………………………………………………(2分)

(2)设小车与墙壁碰撞时,滑块与P点的距离为L2,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:

 …………………………………………………………………①(2分)

根据动能定理,有:

 ……………………………………②(1分)

①②联立并代入数据解得:L2="1m  " ………………………………………………………(1分)

这种情况下小车的长度为:

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.

根据动能定理,有:

 …………………………………………(1分)

代入数据解得: m       ………………………………………………(1分)

这种情况下小车的长度为:m  

若滑块滑至P点时速度恰好为零,由动能定理,有:

  ………………………………………………………………(1分)

解得:m       ………………………………………………………………(1分)

这种情况下小车的长度为:

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:

<7m              …………………………………(2分)

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