高中 | 斜面问题 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)

斜面问题

如图所示,水平放置的传送带与光滑的圆弧轨道相切于$B$点,圆弧与斜面相切于$C$点,斜面足够长。某时刻将一个质量为$1\;\rm kg$的物块(可视为质点)从$A$点轻放到传送带上。已知物块与传送带、斜面之间的动摩擦因数均为$0.25$,传送带的长度$x=5\;\rm m$,始终以$v_{0}=5\;\rm m/s$向右传动,圆弧$BC$对应的圆心角为$\theta=37^\circ $,半径$R=2.25\;\rm m$,求:

物块第一次到达$B$点时的速度大小;

[["

$5\\;\\rm m/s$

"]]

根据牛顿第二定律,可得物块在传送带上加速时的加速度为$a_{1}=\mu g=2.5 m/s^{2}$

若物块与传送带共速,则物块需要加速的位移为$x_{1}=\dfrac{v_{0}^{2}}{2a_{1}}=5\;{\rm m}=x$

故物块第一次到达$B$点时的速度大小$v_{B}=5\;\rm m/s$

物块第一次沿斜面向上运动相对$C$点的最大距离;

[["

$1\\;\\rm m$

"]]

设物块第一次沿斜面向上运动相对$C$点的最大距离为$x_{2}$,对物块从$B$到最高点列动能定理有$- mgh-mgx_{2}\sin\theta-\mu mgx_{2}\cos\theta= 0-\dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$$h=R(1-\cos\theta)$

联立代入数据求得$x_{2}=1\;\rm m$

物块能否从传送带的左侧离开?若能,求出离开时的速度,若不能,求出物块在斜面上运动的总路程。

[["

不能,$4\\;\\rm m$

"]]

由于物块从$A$点静止开始加速到达$B$点恰好与传送带共速,但物块在斜面上运动的过程中有能量损失,则物块返回到$B$点的速度小于$5\;\rm m/s$,故物块不能从传送带的左侧离开。

设物块物块在斜面上运动的总路程为$s$,结合前面分析可知,物块在$BC$段,根据动能定理有$- mgR(1-\cos\theta)=\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

求得$v_{C}^{}=4\;\rm m/s$

由运动的对称性及功能关系可得$- \mu mg\cos\theta \cdot s=0-\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}$

求得$s=4\;\rm m$

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