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例题:
【题目】
在竖直平面内有一圆弧形轨道,半径为R,轨道AB部分光滑,CD部分粗糙,P为圆弧轨道的最高点。一物体从轨道的A点由静止开始下滑,进入CD部分后做曲线运动,最终停在D点。已知物体与轨道CD间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g。求:
(1)物体到达圆弧轨道最低点C时对轨道的压力;
(2)物体到达圆弧轨道最低点C时速度的大小;
(3)物体在CD段运动过程中的最大速度。
【分析】
(1)物体到达圆弧轨道最低点C时,由牛顿第二定律可求得轨道对物体的支持力,再由牛顿第三定律求得物体对轨道的压力。
(2)物体到达圆弧轨道最低点C时,由机械能守恒定律可求得物体到达C点时的速度。
(3)物体在CD段运动过程中,先做加速度减小的加速运动,后做加速度增大的减速运动,当加速度为零时速度最大。
【解答】
(1)设物体到达圆弧轨道最低点C时速度为v1,轨道对物体的支持力为N,根据牛顿第二定律有:$N - mg = m\frac{v_{1}^{2}}{R}$解得:$N = mg + m\frac{v_{1}^{2}}{R}$根据牛顿第三定律可知物体对轨道的压力大小为$mg + m\frac{v_{1}^{2}}{R}$。
(2)设物体到达圆弧轨道最低点C时速度大小为v2,根据机械能守恒定律有:$mgR = \frac{1}{2}mv_{2}^{2}$解得:$v_{2} = \sqrt{2gR}$。
(3)物体在CD段运动过程中,先做加速度减小的加速运动,后做加速度增大的减速运动,当加速度为零时速度最大。设最大速度为v3,根据牛顿第二定律有:$mg + \mu mg = m\frac{v_{3}^{2}}{R}$解得:$v_{3} = \sqrt{gR(1 + \mu)}$。
【说明】本题考查了曲线运动和牛顿定律的综合应用,难度适中。
【注】本题中涉及到了圆周运动和牛顿定律的综合应用,需要学生具有一定的分析能力和解题能力。同时需要注意到题目中的隐含条件和物理规律的应用。