稿件来源:高途
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必修2
第五章 曲线运动
5.6 向心力
向心力
如图所示,某固定装置由长度$L=3\;\rm m$的水平传送带,圆心角$\theta=60^\circ $、半径$R=1\;\rm m$的两光滑圆弧管道$BC$、$CD$及粗糙水平面$DE$组成,且$E$处有一竖直挡板,装置各部分间平滑连接。质量$m=1\;\rm kg$的物块$a$从传送带左端$A$点由静止释放经过$BCD$滑出圆弧管道。已知传送带以速度$v=8\;\rm m/s$顺时针转动,物块$a$与传送带的动摩擦因数为$\mu _{1}=0.6$,物块$a$与粗糙水平面的动摩擦因数$\mu _{2}=0.1$,$DE$长度$d=1.5\;\rm m$,物块视为质点,不计空气阻力,取重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$。

求物块$a$第一次到达$B$点过程中与传送带之间因摩擦产生的热量;
$30\\;\\rm J$
"]]由题知,物块$a$在传送带上做匀加速直线运动,根据牛顿第二定律有$\mu _{1}mg=ma$
解得$a=6\;\rm m/s^{2}$
物块$a$加速到与传送带共速的位移为$x=\dfrac{v^{2}}{2a}=\dfrac{16}{3}\;\text{m}\gt L=3\;\rm \text{m}$
说明物块$a$从$A$点到$B$点一直加速,且到$B$点时速度小于传送带的速度,设此时物块$a$的速度为$v_{1}$,根据速度位移公式有$L=\dfrac{v_{1}^{2}}{2a}$
解得$v_{1}=6\;\rm m/s$
此时物块$a$运动的时间为$t_{1}=\dfrac{v_{1}}{a}=1\;\rm \text{s}$
传送带运动的位移为$x=vt_{1}=8\;\rm m$
则物块$a$相对传送带的位移为$\Delta x_{相}=x-L=5\;\rm m$
产生的热量为$Q=\mu _{1}mg\Delta x_{相}$
代入数据解得$Q=30\;\rm J$
求物块第一次到达$D$点时对管道的作用力;
$6\\;\\rm N$,方向竖直向上
"]]物块$a$从$B$运动到$D$过程,根据动能定理有$- mgR=\dfrac{1}{2}mv_{\text{D}}^{2}- \dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}$
解得$v_{\rm D}=4\;\rm m/s$
物块$a$在$D$点,根据牛顿第二定律有$F+mg=m\dfrac{v_{\rm D}^{2}}{R}$
代入数据解得$F=6\;\rm N$
根据牛顿第三定律,物块$a$在$D$点对管道的作用力大小为$6\;\rm N$,方向竖直向上。
物块每次与挡板碰撞后均按原速率反弹,求最终物块停止的位置。
距离挡板$0.5\\;\\rm m$处或距$D$点$1\\;\\rm m$处
"]]对全过程应用动能定理,则有$- \mu_{2}mgx=0-\dfrac{1}{2}mv_{\text{D}}^{2}$
解得$x=8\;\rm m$
因$DE$长度$d=1.5\;\rm m$,所以$x=8\;{\rm m}=5d+0.5\;\rm m$
最终停在距离挡板$0.5\;\rm m$处或距$D$点$1\;\rm m$处。
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