问题 问答题

如图所示,静止在粗糙水平面上的斜面体有三个光滑斜面AB、AC和CD.已知斜面AB与水平方向成37°角,斜面AC与水平方向成53°角,斜面CD与水平方向成30°角,A点与C点的竖直高度为h1=0.8m,C点与D点的竖直高度为h2=3.25m.在B点左侧的水平面上有一个一端固定的轻质弹簧,自然长度时弹簧右端到B点的水平距离为s=3.9m.质量均为m=1kg的物体甲和乙同时从顶点A由静止释放,之后甲沿斜面AB下滑,乙沿AC下滑.在甲乙两物体下滑过程中,斜面体始终处于静止状态,且两物体运动中经过B点、C点、D点时,速度大小不改变,只改变方向.甲进入水平面后向左运动压缩弹簧的最大压缩量为x=0.1m,乙物体进入水平面后便向右运动最终停止.已知甲物体与水平面的动摩擦因数为μ=0.6,sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2.求:

(1)弹簧的最大弹性势能为多少?

(2)甲物体最终停止位置距B点多远?

(3)通过计算,说明甲乙两物体是否同时滑到水平面上?

答案

(1)当滑块甲运动到最左端时,弹簧的弹性势能最大,对滑块甲从A到最左端过程运用动能定理,得到

mg(h1+h2)-μmg(S+x)-W=0-0

弹簧弹力做的功等于弹性势能增加量,故

Epm=W

解得

Epm=mg(h1+h2)-μmg(S+x)=1×10×(0.8+3.25)-0.6×1×10×(3.9+0.1)=16.5J

即弹簧的最大弹性势能为16.5J.

(2)对甲物体从开始到停止运动的整个过程运用动能定理,有

mg(h1+h2)-μmg•L=0-0

解得

L=

h1+h2
μ
=6.75m

故甲物体最终停止位置距B点为:x1=2(h1+h2)-L=1.25m.

 (3)甲物体受重力、支持力,根据牛顿第二定律,有

mgsin37°=ma1

根据位移时间公式,有

h1+h2
sin37°
=
1
2
a1
t21

解得

t1=1.5s

对于乙物体,在倾角为53°的斜面上时,加速度设为a2,在倾角为30°的斜面上时,加速度设为a3

根据牛顿第二定律,有

mgsin53°=ma2

mgsin30°=ma3

根据运动学公式,有

h1
sin53°
=
1
2
a2
t22

v=a2t2

h2
sin30°
=vt3+
1
2
a3
t23

解得

t2=0.5s

t3=1s

故t1=t2+t3

即甲乙两物体同时到达水平面上.

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