高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

某同学参照过山车情景设计了如图所示的模型:光滑的竖直圆轨道半径$R=2\;\rm m$,入口的平直轨道$AC$和出口的平直轨道$CD$均是粗糙的,质量为$m=2\;\rm kg$的小滑块(可视为质点)与水平轨道之间的动摩擦因数均为$\mu =0.5$,滑块从$A$点由静止开始受到水平拉力$F=60\;\rm N$的作用,在$B$点撤去拉力,$AB$的长度为$L=5\;\rm m$,不计空气阻力,若滑块恰好通过圆轨道的最高点,$g=10\;\rm m/s^{2}$。求:

当滑块再回到圆轨道最低点时圆轨道对它的弹力大小;

[["

$120\\;\\rm N$

"]]

滑块恰好通过最高点,滑块只受到重力,此时重力提供向心力,根据牛顿第二定律可得$mg=m\dfrac{v^{2}}{R}$

滑块从$C$点到最高点过程由动能定理可得$- mg \times 2R=\dfrac{1}{2}mv^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}$

$C$点,对滑块由牛顿第二定律可知$F_{{N}}-mg=m\dfrac{v_{C}^{2}}{R}$

解得$v_{C}=10\;\rm m/s$

$F_{N}=120\;\rm N$

滑块沿着出口的平直轨道$CD$能滑行的最大距离;

[["

$10\\;\\rm m$

"]]

平直轨道$CD$上滑行时,由动能定理可得$\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}=\mu mgx$

解得滑行距离$x=10\;\rm m$

平直轨道$BC$段的长度。

[["

$15\\;\\rm m$

"]]

$AC$过程由动能定理可得$FL-\mu mg\left( x_{BC}+L \right)=\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}$

解得$BC$长度$x_{BC}=15\;\rm m$

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