如图所示,倾角为37°的部分粗糙的斜面轨道和两个光滑半圆轨道组成翘尾巴的S形轨道.两个光滑半圆轨道半径都为R=0.2 m,其连接处CD之间留有很小空隙,刚好能够使小球通过,CD之间距离可忽略.斜面上端有一弹簧,弹簧上端固定在斜面上的挡板上,弹簧下端与一个可视为质点、质量为m=0.02 kg 的小球接触但不固定,此时弹簧处于压缩状态并锁定,弹簧的弹性势能Ep=0.27 J.现解除弹簧的锁定,小球从A点出发,经翘尾巴的S形轨道运动后从E点水平飞出,落到水平地面上,落点到与E点在同一竖直线上B点的距离为s=2.0 m.已知斜面轨道的A点与水平面上B点之间的高度为h=1.0 m,小球与斜面的粗糙部分间的动摩擦因数为0.75,小球从斜面到达半圆轨道通过B点时,前后速度大小不变,不计空气阻力,g取10 m/s2,求:
(1)小球从E点水平飞出时的速度大小;
(2)小球对B点轨道的压力;
(3)斜面粗糙部分的长度x.
(1)5 m/s (2)4.3 N 竖直向下 (3)x=0.5 m
解析:(1) 由平抛运动规律知s=vEt, 4R=gt2.
联立解得vE=5 m/s.
(2)小球从B点运动到E点的过程,由机械能守恒有mv=mg×4R+mv,
解得vB= m/s.
在B点有FN-mg=m,FN=4.3 N,
所以F′N=FN=4.3 N,方向竖直向下.
(3)小球沿斜面下滑到B点的过程,
由能量守恒有mgh+Ep=mv+μmgcos 37°·x 解得x=0.5 m.
判定机械能守恒的方法:
(1)条件分析法:应用系统机械能守恒的条件进行分析。分析物体或系统的受力情况(包括内力和外力),明确各力做功的情况,若对物体或系统只有重力 (或弹力)做功,没有其他力做功或其他力做功的代数和为零,则系统的机械能守恒。
(2)能量转化分析法:从能量转化的角度进行分析:若只有系统内物体间动能和重力势能及弹性势能的相互转化,系统跟外界没有发生机械能的传递,机械能也没有转化成其他形式的能(如内能),则系统的机械能守恒。
(3)增减情况分析法:直接从机械能的各种形式的能量的增减情况进行分析。若系统的动能与势能均增加或均减少,则系统的机械能不守恒;若系统的动能不变,而势能发生了变化,或系统的势能不变,而动能发生了变化,则系统的机械能不守恒;若系统内各个物体的机械能均增加或均减少,则系统的机械能不守恒。
(4)对一些绳子突然绷紧、物体间非弹性碰撞等,除非题目特别说明,否则机械能必定不守恒。
竖直平面内圆周运动与机械能守恒问题的解法:
在自然界中,违背能量守恒的过程肯定是不能够发生的,而不违背能量守恒的过程也不一定能够发生,因为一个过程的进行要受到多种因素的制约,能量守恒只是这个过程发生的一个必要条件。如在竖直平面内的变速圆周运动模型中,无支撑物的情况下,物体要到达圆周的最高点,从能量角度来看,要求物体在最低点动能不小于最高点与最低点的重力势能差值。但只满足此条件物体并不一定能沿圆弧轨道运动到圆弧最高点。因为在沿圆弧轨道运动时还需满足动力学条件:所需向心力不小于重力,由此可以推知,在物体从圆弧轨道最低点开始运动时,若在动能全部转化为重力势能时所能上升的高度满足时,物体可在轨道上速度减小到零,即动能可全部转化为重力势能;在,物体上升到圆周最高点时的速度)时,物体可做完整的圆周运动;若在时,物体将在与圆心等高的位置与圆周最高点之间某处脱离轨道,之后物体做斜上抛运动,到达最高点时速度不为零,动能不能全部转化为重力势能,物体实际上升的高度满足。故在解决这类问题时不能单从能量守恒的角度来考虑。
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