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(2011?江蘇模擬)如圖所示為放置在豎直平面內游戲滑軌的模擬裝置,滑軌由四部分粗細均勻的金屬桿組成,其中水平直軌AB與傾斜直軌CD長均為L=6m,圓弧形軌道AQC和BPD均光滑,AQC的半徑為r=1m,AB、CD與兩圓弧形軌道相切,O2D、O1C與豎直方向的夾角均為θ=37°.現有一質量為m=1kg的小球穿在滑軌上,以Ek0=24J的初動能從B點開始水平向左運動,小球與兩段直軌道間的動摩擦因數均為μ=
16
,設小球經過軌道連接處均無能量損失.(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:
(1)小球第一次回到B點時的速度大;
(2)小球第二次到達C點時的動能;
(3)小球在CD段上運動的總路程.
分析:(1)對從B點出發(fā)到回到B點整個過程運用動能定理,求出小球第一次回到B點時的速度大小.
(2)小球第二次到達C點時,對B到C運用動能定理,求出到達C點時的動能.
(3)小球最終只能在圓弧形軌道BPD上做往復運動,即到達D點速度為零,對全過程運用動能定理,求出小球在CD段上運動的總路程.
解答:解:(1)根據動能定理得,
1
2
mv12-Ek0=-μmgLcosθ-μmgL
代入 解得v1=
12
m/s≈3.4m/s
(2)小球第一次回到B點時的動能EK1=
1
2
mv12=6J
,繼續(xù)運動,
根據動能定理得,mgr(1+cosθ)-μmgLcosθ=EKC-EK1
當到達C點時動能為EKC=mgr(1+cosθ)+EK1-μmgLcosθ=18+6-8=16J.
(3)小球第二次到達C點后還剩16J的能量,繼續(xù)上升還需克服重力做功為W=mgr(1+cos37°)=18J,才能到達A點,因此小球無法繼續(xù)上升,滑到AQC某處后開始下滑,之后受摩擦力作用,上升高度越來越低.
小球最終只能在圓弧形軌道BPD上做往復運動,即到達D點速度為零,
由動能定理:
1
2
mvD2-
1
2
mvC2=mgLsinθ-μmgscosθ

可得小球在斜軌CD上所通過的路程為s=39m
小球通過CD段的總路程為s=2L+s=51m
答:(1)小球第一次回到B點時的速度大小為3.4m/s.
(2)小球第二次到達C點時的動能為16J.
(3)小球在CD段上運動的總路程為51m.
點評:本題涉及多個過程運動,關鍵是正確地進行受力分析,選擇適當的研究過程,運用動能定理解題.
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