问题 问答题

如图所示,半径R=0.2m的光滑四分之一圆轨道MN竖直固定放置,末端N与一长L=0.8m的水平传送带相切,水平衔接部分摩擦不计,传动轮(轮半径很小)作顺时针转动,带动传送带以恒定的速度ν0运动.传送带离地面的高度h=1.25m,其右侧地面上有一直径D=0.5m的圆形洞,洞口最左端的A点离传送带右端的水平距离S=1m,B点在洞口的最右端.现使质量为m=0.5kg的小物块从M点由静止开始释放,经过传送带后做平抛运动,最终落入洞中,传送带与小物块之间的动摩擦因数μ=0.5. g取10m/s2.求:

(1)小物块到达圆轨道末端N时对轨道的压力

(2)若ν0=3m/s,求物块在传送带上运动的时间

(3)若要使小物块能落入洞中,求ν0应满足的条件.

答案

(1)设物块滑到圆轨道末端速度ν1,根据机械能守恒定律得:

mgR=

1
2
mv12

设物块在轨道末端所受支持力的大小为F,

根据牛顿第二定律得:F-mg=m

v12
R

联立以上两式代入数据得:F=15N        

根据牛顿第三定律,对轨道压力大小为15N,方向竖直向下   

(2)物块在传送带上加速运动时,由μmg=ma,得a=μg=5m/s2

加速到与传送带达到同速所需要的时间t1=

v0-v1
a
=0.2s    

位移s1=

v1+v0
2
t1=0.5m  

匀速时间t2=

L-s1
v0
=0.1s   

故T=t1+t2=0.3s  

(3)物块由传送带右端平抛h=

1
2
gt2

恰好落到A点   s=v2t         得ν2=2m/s    

恰好落到B点   D+s=ν3t         得ν3=3m/s     

故ν0应满足的条件是3m/s>ν0>2m/s         

答:(1)小物块到达圆轨道末端N时对轨道的压力大小为15N,方向竖直向下;

(2)若ν0=3m/s,求物块在传送带上运动的时间为0.3s;

(3)若要使小物块能落入洞中,ν0应满足的条件为3m/s>ν0>2m/s.

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