(2010?上海模拟)如图所示为放置在竖直平面内游戏滑轨的模拟装置,滑轨由四部分粗细均匀的金属杆组成,

2025-05-21 15:22:02
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回答(1):

(1)若要使小球能够通过圆弧APD的最高点,因为小球是穿在杆上,所以到达最高点时速度可以为0.
   由能量守恒得:Ek0=mg[Lsinθ+(R-Rcosθ)]+μmgLcosθ
代入数据解得:Ek0=30J.
 假若仅使小球恰好到达B点,即到达B点时速度恰好为0,则由能量守恒:Ek0=μmgLcosθ+μmgL
代入数据解得:Ek0=18J.
故要使小球能再次回到B点,至少需要30J的初动能.
(2)当小球在B点以Ek0=30J向上运动,再次回到B点时,小球的动能Ek1,由动能定理:Ek1-Ek0=-μmgLcosθ-μmgL,所以:Ek1=Ek0-μmgLcosθ-μmgL=30-18=12J
假设小球经过B点后,还能沿AB上升x,由动能定理:0-Ek1=-mgxsinθ+(-μmgcosθx)
解得:x=

Ek1
mgsinθ+μmgcosθ
12
1×10×0.6+
1
3
×1×10×0.8
18
13
m
在AB杆上,由于mgsinθ>μmgcosθ,所以小球将再次下滑,在AB杆上因摩擦而发的热:Q1=2μmgcosθ?x=2×
1
3
×1×10×0.8×
18
13
96
13
J

当小球第二次回到D点时,由能量守恒得:mg(r+rcosθ)+Ek1=Q1+μmgL+EkD
所以:EkD=mg(r+rcosθ)+Ek1?Q1?μmgL=
164
13
J≈12.6J

故小球第二次到达D点时的动能为12.6J.
(3)小球到达D点后,将沿光滑的圆弧面APB上升,但到不了最高点,将再次滑回D点,且EkD
164
13
J

假若要使小球还能够返回B点,则要求在D点时具有的动能为:μmgL+mg(r+rcosθ)=28J>EkD;    
所以小球将无法再次回B点,而只能在光滑圆弧APD和BQC及DC间作来回往复的运动,最终小球将停在DC上,此时小滑在DC上滑过的总路程为S',
由EkD=μmgS'得:S′=
EkD
μmg
164
13
1
3
×1×10
246
65
m

所以S=2L+S′=6+
246
65
636
65
m=9.78m

故小球在CD段上运动的总路程为9.78m.