Question

如圖所示，四分之一光滑絕緣圓弧軌道AP和水平絕緣傳送帶PC固定在同一 豎直平面內，圓弧軌道的圓心為O，半徑為R．傳送帶PC之間的距離為L，沿逆時針方向的運動速度v=．在PO的右側空間存在方向豎直向下的勻強電場．一質量為m、電荷量為+q的小物體從圓弧頂點A由靜止開始沿軌道下滑，恰好運動到C端后返回．物體與傳送 帶間的動摩擦因數為μ，不計物體經過軌道與傳送帶連接處P時的機械能損失，重力加速度為g

（1）求物體下滑到P點時，物體對軌道的壓力F
（2）求物體返回到圓弧軌道后，能上升的最大高度H
（3）若在PO的右側空間再加上方向垂直于紙面向里、磁感應強度為B的水平勻強磁場 （圖中未畫出），物體從圓弧頂點A靜止釋放，運動到C端時的速度為，試求物體在傳送帶上運動的時間t．

Answer 1

【答案】分析：（1）物體從A端運動到P端的過程中，只有重力做功，機械能守恒，即可求出物體滑到P端時速度大小．經過P點時，由重力和軌道支持力的合力提供物體的向心力，根據牛頓運動定律求解物體對軌道的壓力F．
（2）物體從C端返回時受到向左滑動摩擦力，向左做初速度為零的勻加速運動，根據動能定理列出滑塊速度與皮帶速度相同時通過的距離x表達式，再研究滑塊從P到C過程，由動能定理列式，聯立求出x，再由機械能守恒定律研究滑塊滑上圓弧軌道的過程，求解最大高度H．
（3）在無磁場情況下物體從A端運動到C端的過程中，根據動能定理求出電場強度E．在有磁場情況下物體從P端運動到C端的過程中，滑塊豎直方向上受到豎直向下的重力和電場力，豎直向上的支持力和洛倫茲力作用，隨著速度的減小，洛倫茲力減小，滑塊所受支持力增大，摩擦力增大，滑塊做加速度減小的變減速運動，取一段極短時間△t，根據牛頓第二定律得到速度變化率表達式，運用積分法得到時間t．
解答：解：（1）設物體滑到P端時速度大小為v_P，物體從A端運動到P端的過程中，機械能守恒
解得：
設物體滑到P端時受支持力為N，根據牛頓第二定律
解得：N=3mg
設物體滑到P端時對軌道壓力為F，根據牛頓第三定律
F=N=3mg
（2）物體到達C端以后受滑動摩擦力，向左做初速度為零的勻加速運動，設向左運動距離為x時物體與皮帶速度相同，設物體受到的摩擦力為f，則
   fx=
物體從皮帶的P端滑到C端摩擦力做功
-fL=0-
代入得，
解得：x=
即物體在皮帶上向左先做勻加速運動一半皮帶長度后，與皮帶同速向左運動，即再次到達P點時速度大小是v=
根據機械能守恒定律，設在斜面上上升的高度H，則
  mgH=
解得H=
（3）設電場強度為E，在無磁場物體從A端運動到C端的過程中，根據動能定理有 mgR-μ（mg+Eq）L=0-0
解得E=
在有磁場情況下物體從P端運動到C端的過程中，設任意時刻物體速度為v，取一段極短的含此時刻的時間△t，設在此時間段內的速度改變量為△v（取水平向右為正方向）．
根據牛頓第二定律，有 
兩邊同時乘以△t，再對兩邊求和得 
而 ，
而，
則
以上結果代入上式，得
化簡得    t=
 答：（ 1）物體下滑到P點時，物體對軌道的壓力F是3mg．
（2）物體返回到圓弧軌道后，能上升的最大高度H為．
（3）若在PO的右側空間再加上方向垂直于紙面向里、磁感應強度為B的水平勻強磁場 （圖中未畫出），物體從圓弧頂點A靜止釋放，運動到C端時的速度為，試求物體在傳送帶上運動的時間t是．
點評：本題是動能定理、牛頓運動定律、向心力公式的綜合應用，難點在于運用積分法研究非勻減速運動的時間，切入口是根據牛頓第二定律得到瞬時速度與速度變化率的關系式．