Question

如图所示，半径R=0.2m的光滑四分之一圆轨道MN竖直固定放置，末端N与一长L=0.8m的水平传送带相切，水平衔接部分摩擦不计，传动轮（轮半径很小）作顺时针转动，带动传送带以恒定的速度ν运动．传送带离地面的高度h=1.25m，其右侧地面上有一直径D=0.5m的圆形洞，洞口最左端的A点离传送带右端的水平距离S=1m，B点在洞口的最右端．现使质量为m=0.5kg的小物块从M点由静止开始释放，经过传送带后做平抛运动，最终落入洞中，传送带与小物块之间的动摩擦因数μ=0.5． g取10m/s²．求：
（1）小物块到达圆轨道末端N时对轨道的压力
（2）若ν=3m/s，求物块在传送带上运动的时间
（3）若要使小物块能落入洞中，求ν应满足的条件．

Answer 1

【答案】分析：（1）根据机械能守恒定律和向心力公式列式，联立方程即可求解；
（2）根据牛顿第二定律求出物块在传送带上加速运动时的加速度，进而求出加速到与传送带达到同速所需要的时间，再求出匀速运动的时间，两者之和即为总时间；
（3）根据平抛运动的基本规律即可求解．
解答：解：（1）设物块滑到圆轨道末端速度ν₁，根据机械能守恒定律得：
mgR=
设物块在轨道末端所受支持力的大小为F，
根据牛顿第二定律得：F-mg=m
联立以上两式代入数据得：F=15N        
根据牛顿第三定律，对轨道压力大小为15N，方向竖直向下   
（2）物块在传送带上加速运动时，由μmg=ma，得a=μg=5m/s²
加速到与传送带达到同速所需要的时间=0.2s    
位移t₁=0.5m  
匀速时间=0.1s   
故T=t₁+t₂=0.3s  
（3）物块由传送带右端平抛h=
恰好落到A点   s=v₂t         得ν₂=2m/s    
恰好落到B点   D+s=ν₃t         得ν₃=3m/s     
故ν应满足的条件是3m/s＞ν＞2m/s         
答：（1）小物块到达圆轨道末端N时对轨道的压力大小为15N，方向竖直向下；
（2）若ν=3m/s，求物块在传送带上运动的时间为0.3s；
（3）若要使小物块能落入洞中，ν应满足的条件为3m/s＞ν＞2m/s．
点评：本题主要考查了平抛运动基本公式、牛顿第二定律、向心力公式以及运动学基本公式的直接应用，难度适中．