Question

如圖所示，一半徑r=0.2m的1/4光滑圓弧形槽底端B與水平傳帶相接，傳送帶的運行速度為v₀=4m/s，長為L=1.25m，滑塊與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.2，DEF為固定于豎直平面內的一段內壁光滑的中空方形細管，EF段被彎成以O為圓心、半徑R=0.25m的一小段圓弧，管的D端彎成與水平傳帶C端平滑相接，O點位于地面，OF 連線豎直．一質量為M=0.1kg的物塊a從圓弧頂端A點無初速滑下，滑到傳送帶上后做勻加速運動，過后滑塊被傳送帶送入管DEF，管內頂端F點放置一質量為m=0.1kg的物塊b．已知a、b兩物塊均可視為質點，a、b橫截面略小于管中空部分的橫截面，重力加速度g取10m/s²．求：
（1）滑塊a到達底端B時的速度v_B；
（2）滑塊a剛到達管頂F點時對管壁的壓力；
（3）滑塊a滑到F點時與b發(fā)生完全非彈性正碰，飛出后落地，求滑塊a的落地點到O點的距離x（不計空氣阻力）

Answer 1

分析：（1）滑塊從A下滑到B的過程中，支持力不做功，由機械能守恒定律求解速度v_B；
（2）先研究滑塊傳送帶上的運動過程，再研究滑塊沖上細管的過程：滑塊在傳送帶上做勻加速運動，根據(jù)牛頓第二定律和運動學公式結合求出滑塊到達C點時的速度，滑塊從C至F，由機械能守恒定律求出到達F點時的速度，由牛頓第二定律求出管道對滑塊的彈力，由牛頓第三定律即可解得滑塊在F點時對管壁的壓力；
（3）a、b碰撞過程，遵守動量守恒，即可求出碰后的共同速度，之后兩滑塊一起做平拋運動，運用運動的分解法求解滑塊a的落地點到O點的距離x．

解答：解：（1）設滑塊到達B點的速度為v_B，由機械能守恒定律，有
    Mgr=

1

2

M

v

2 B

得：v_B=

2gr

=2m/s
（2）滑塊在傳送帶上做勻加速運動，受到傳送帶對它的滑動摩擦力，
由牛頓第二定律有  μMg=Ma
滑塊對地位移為L，末速度為v_C，設滑塊在傳送帶上一直加速
由速度位移關系式 2aL=

v

2 C

-

v

2 B

得v_C=3m/s＜4m/s，可知滑塊與傳送帶未達相同的速度．
滑塊從C至F，由機械能守恒定律，有
 

1

2

M

v

2 C

=MgR+

1

2

M

v

2 F

得 v_F=2m/s 
在F處，對滑塊由牛頓第二定律
  Mg+N=M

v 2 F

R

得N=0.6N 由牛頓第三定律得管上壁受壓力為0.6N，壓力方向豎直向上
（3）由題意知碰后物塊a、b共速，設速度為v，
碰撞過程由動量守恒得
   Mv_F=（M+m）v
得  v=1m/s
離開F點后物塊a、b一起做平拋運動，則有
  x=vt
  R=

1

2

gt2
解得，x=

5

10

m
答：（1）滑塊a到達底端B時的速度v_B是2m/s．
（2）滑塊a剛到達管頂F點時對管壁的壓力為0.6N，壓力方向豎直向上．
（3）滑塊a滑到F點時與b發(fā)生完全非彈性正碰，飛出后落地，滑塊a的落地點到O點的距離x是

5

10

m．

點評：本題按時間順序進行分析，關鍵要把握每個過程所遵守的物理規(guī)律，運用機械能守恒、牛頓第二定律、運動學公式結合進行求解．