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轻质弹簧原长为2l,将弹簧竖直放置在地面上,在其顶端将一质量为5m的物体由静止释...

轻质弹簧原长为2l,将弹簧竖直放置在地面上,在其顶端将一质量为5m的物体由静止释放,当弹簧被压缩到最短时,弹簧长度为l。现将该弹簧水平放置,一端固定在A点,另一端与物块P接触但不连接。AB是长度为5l的水平轨道,B端与半径为l的光滑半圆轨道BCD相切,半圆的直径BD竖直,如图所示。物块P与AB间的动摩擦因数μ=0.5。用外力推动物块P,将弹簧压缩至长度l,然后放开P开始沿轨道运动,重力加速度大小为g。

(1)若P的质量为m,求P到达B点时速度的大小,以及它离开圆轨道后落回到AB上的位置与B点之间的距离;

(2)若P能滑上圆轨道,且仍能沿圆轨道滑下,求P的质量的取值范围。

 

(1) 2l (2) 【解析】 试题分析:(1)依题意,当弹簧竖直放置,长度被压缩至l时,质量为5m的物体的动能为零,其重力势能转化为弹簧的弹性势能。由机械能守恒定律知,弹簧长度为l时的弹性势能为 Ep=5mgl① 设P到达B点时的速度大小为vB,由能量守恒定律得 Ep=mvB2+μmg(5l-l)② 联立①②式,并代入题给数据得 ③ 若P能沿圆轨道运动到D点,其到达D点时的向心力不能小于重力,即P此时的速度大小v应满足 ④ 设P滑到D点时的速度为vD,由机械能守恒定律得 mvB2=mvD2+mg·2l⑤ 联立③⑤式得⑥ vD满足④式要求,故P能运动到D点,并从D点以速度vD水平射出。设P落回到轨道AB所需的时间为t,由运动学公式得 2l=gt2⑦ P落回到AB上的位置与B点之间的距离为s=vDt⑧ 联立⑥⑦⑧式得 s=2l⑨ (2)设P的质量为M,为使P能滑上圆轨道,它到达B点时的速度不能小于零。由①②式可知 5mgl>μMg·4l⑩ 要使P仍能沿圆轨道滑回,P在圆轨道的上升高度不能超过半圆轨道的中点C。由机械能守恒定律有 MvB′2≤Mgl⑪ Ep=MvB′2+μMg·4l⑫ 联立①⑩⑪⑫式得 ⑬ 考点:能量守恒定律;牛顿第二定律;平抛运动 【名师点睛】解决本题时要抓住弹簧的形变量相等时弹性势能相等这一隐含的条件,正确分析能量是如何转化,分段运用能量守恒定律列式是关键。  
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