Question

（2011?廣東）如圖所示，以A、B和C、D為端點(diǎn)的兩半圓形光滑軌道固定于豎直平面內(nèi)，一滑板靜止在光滑水平地面上，左端緊靠B點(diǎn)，上表面所在平面與兩半圓分別相切于B、C，一物塊被輕放在水平勻速運(yùn)動(dòng)的傳送帶上E點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)到A時(shí)剛好與傳送帶速度相同，然后經(jīng)A沿半圓軌道滑下，再經(jīng)B滑上滑板，滑板運(yùn)動(dòng)到C時(shí)被牢固粘連，物塊可視為質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)量為m，滑板質(zhì)量M=2m，兩半圓半徑均為R，板長(zhǎng)l=6.5R，板右端到C的距離L在R＜L＜5R范圍內(nèi)取值，E距A為S=5R，物塊與傳送帶、物塊與滑板間的動(dòng)摩擦因數(shù)均μ=0.5，重力加速度取g．
（1）求物塊滑到B點(diǎn)的速度大小；
（2）試討論物塊從滑上滑板到離開滑板右端的過(guò)程中，克服摩擦力做的功W_f與L的關(guān)系，并判斷物塊能否滑到CD軌道的中點(diǎn)．

Answer 1

分析：（1）物塊滑到B點(diǎn)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)過(guò)程，先是在傳送帶上的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)能定理可求A點(diǎn)速度；
A到B的過(guò)程機(jī)械能守恒可求B點(diǎn)的速度．
（2）首先由動(dòng)量守恒、動(dòng)能定理判斷物塊與滑板在達(dá)到相同共同速度時(shí)，物塊有沒(méi)有離開滑板；再由物塊在C點(diǎn)的速度用機(jī)械能守恒判斷能否到達(dá)CD軌道的中點(diǎn)．

解答：解：（1）設(shè)物塊運(yùn)動(dòng)到A和B點(diǎn)的速度分別為v₁、v₂，
由動(dòng)能定理得μmgS=

1

2

m

v

2 1

…①
由機(jī)械能守恒定律  

1

2

m

v

2 2

=2mgR+

1

2

m

v

2 1

…②
聯(lián)立①②，得v2=3

gR

…③
（2）設(shè)滑板與物塊達(dá)到共同速度v₃時(shí)，位移分別為l₁、l₂，
由動(dòng)量守恒定律mv₂=（m+M）v_3…④
由動(dòng)能定理  μmgl1=

1

2

M

v

2 3

…⑤
-μmgl2=

1

2

m

v

2 3

-

1

2

m

v

2 2

…⑥
聯(lián)立③④⑤⑥，得 l₁=2R　　　l₂=8R…⑦
物塊相對(duì)滑板的位移△l=l₂-l₁ △l＜l
即物塊與滑板在達(dá)到相同共同速度時(shí)，物塊未離開滑板…⑧
物塊滑到滑板右端時(shí)
若R＜L＜2R，W_f=μmg（l+L）…⑨
Wf=

1

4

mg(13R+2L)…⑩
若2R≤L＜5R，W_f=μmg（l+l₁）…（11）
Wf=

17

4

mgR…（12）
設(shè)物塊滑到C點(diǎn)的動(dòng)能為E_k，
由動(dòng)能定理 -Wf=Ek-

1

2

m

v

2 2

…（13）
L最小時(shí)，克服摩擦力做功最小，因?yàn)長(zhǎng)＞R，
由③⑩（13）確定E_k小于mgR，則物塊不能滑到CD軌道中點(diǎn)．
答：（1）物塊滑到B點(diǎn)的速度v2=3

gR

     （2）物塊不能滑到CD軌道中點(diǎn)．

點(diǎn)評(píng)：本題考查動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒以及有摩擦的板塊模型中克服摩擦力做的功．判斷物塊與滑板在達(dá)到相同共同速度時(shí)，物塊未離開滑板是關(guān)鍵，是一道比較困難的好題．