Question

【題目】如圖在水平軌道右側固定半徑為R的豎直圓槽形光滑軌道，水平軌道PQ段鋪設特殊材料，調節其初始長度為l，水平軌道左側有一輕質彈簧左端固定，彈簧處于自然伸長狀態。可視為質點的小物塊從軌道右側A點以初速度v0沖上軌道，通過圓形軌道、水平軌道后壓縮彈簧，并被彈簧以原速率彈回。已知R＝0.4 m，l＝2.5 m，v0＝6 m/s，物塊質量m＝1 kg，與PQ段間的動摩擦因數μ＝0.4，軌道其它部分摩擦不計。取g＝10 m/s2。求：

（1）物塊經過圓軌道最高點B時對軌道的壓力；

（2）物塊從Q運動到P的時間及彈簧獲得的最大彈性勢能；

（3）物塊仍以v0從右側沖上軌道，調節PQ段的長度l，當l長度是多少時，物塊恰能不脫離軌道返回A點繼續向右運動。

Answer 1

【答案】（1）40N；

（2）8J；

（3）1m．

【解析】

試題(1)物塊沖上圓形軌道最高點B時速度為v，由機械能守恒得：①

物塊到B點，由牛頓運動定律得：②

聯立①②式并代入數據解得N=40N ③

由牛頓第三定律，物塊對軌道壓力大小為40N，方向為豎直向上 ④

(2)物塊在Q點時速度為v0＝6 m/s，在PQ運動時，由牛頓運動定律有：⑤

由運動規律⑥

聯立⑤⑥式并代入數據解得在PQ段運動時間 t=s ⑦

設物塊在P點時速度為v1，有⑧

由能量守恒，物塊壓縮彈簧，動能轉化為彈性勢能，有⑨

聯立⑧⑨式代入數據解得Epm= 8J ⑩

(3)物塊以v0沖上軌道直到回到PQ段右側Q點時速度為v2，有11

要使物塊恰能不脫離軌道返回A點，則物塊能沿軌道上滑至最高點且在最高點的速度大小為v3，則滿足12

且13

聯立111213式代入數據解得l＝1 m， 14