如图所示,竖直平面内有一半径R=0.9m、圆心角为60°的光滑圆弧轨道PM,圆弧轨道最底端M处平滑连接一长s=3m的粗糙平台MN,质量分别为mA=4kg,mB=2kg的物块A,B静置于M点,它们

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◎ 题目

如图所示,竖直平面内有一半 径R=0.9m、圆心角为60°的光滑圆弧 轨道PM,圆弧轨道最底端M处平滑 连接一长s=3m的粗糙平台MN,质 量分别为mA=4kg,mB=2kg的物块 A,B静置于M点,它们中间夹有长 度不计的轻质弹簧,弹簧与A连结,与B不相连,用细线拉紧A、B使弹簧处于压缩状态.N端有一小球C,用长为L的轻 绳悬吊,对N点刚好无压力.现烧断细线,A恰好能从P端滑出,B与C碰后总是交换速度.A、B、C均可视为质点,g取10m/s2,问:
(1)A刚滑上圆弧时对轨道的压力为多少?
(2)烧断细线前系统的弹性势能为多少?
(3)若B与C只能碰撞2次,B最终仍停在平台上,整个过程中绳子始终不松弛,求B与 平台间动摩擦因数μ的范围及μ取最小值时对应的绳长L.
魔方格

◎ 答案

(1)A在上滑过程中机械能守恒,有
1
2
m
v2A
=mgR(1-cos60°)
vA=3m/s
根据牛顿运动定律 
N-mAg=mA
v2A
R

N=80N
由牛顿第三定律得,A对圆弧的压力为80N,方向竖直向下.
(2)由动量守恒得:
mAvA=mBvB
由能量守恒得
Ep=
1
2
mA
v2A
+
1
2
mB
v2B

得:Ep=54J
(3)因B、C碰后速度交换,B静止,C做圆周运动,绳子不能松弛,一种情况是越过最高点,继续做圆周运动,
与B碰撞,B一定离开平台,不符合要求.另一种情况是C做圆周运动不超过
1
4
圆周,返回后再与B发生碰撞.               
B刚好能与C发生第一次碰撞
0-
1
2
mB
v2B
=-μmBgs
   解得 μ=0.6
   依题意有   μ<0.6
B与C刚要发生第三次碰撞,则
0-
1
2
mB
v2B
=-3μmBgs
  解得  μ=0.2
   依题意有  μ>0.2
B与C发生两次碰撞后不能从左侧滑出
0-
1
2
mB
v2B
=-2μmBgs-mBgR(1-cos60°)
解得 μ=0.225
   依题意有 μ≥0.225
综上所得   0.225≤μ<0.6                        
取μ=0.225,B与C碰撞后,C的速度最大,要绳不松弛,有:
1
2
mB
v2B1
-
1
2
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