Question

水上滑梯可簡化成如圖所示的模型，斜槽AB和光滑圓弧槽BC平滑連接，斜槽AB的豎直高度H=6.0m，傾角θ=37°．圓弧BC半徑R=3.0m，末端C點的切線水平；C點與水平面的距離h=0.80m，人與AB間的動摩擦因數(shù)為μ=0.2．取重力加速度g=10m/s²，cos37°=0.8，sin37°=0.6．一個質量m=30kg的小朋友從滑梯頂端A點無初速地自由滑下，求：
（1）小朋友沿斜槽AB下滑時加速度a的大小；
（2）小朋友滑到C點時速度v的大小及對C點時受到槽面的壓力Fc的大小；
（3）在從C點滑出至落到水面的過程中，小朋友在水平方向位移x的大小．

Answer 1

分析：（1）小朋友在斜槽AB下滑受重力、支持力和滑動摩擦力，根據(jù)牛頓第二定律求出運動的加速度．
（2）根據(jù)速度位移公式求出小朋友到達B點的速度大小，再根據(jù)動能定理求出在C點的速度，通過牛頓第二定律，抓住重力和支持力的合力提供向心力求出支持力的大小，從而根據(jù)牛頓第三定律求出壓力的大小．
（3）小朋友離開C點做平拋運動，根據(jù)平拋運動水平方向和豎直方向上的運動規(guī)律求出小朋友在水平方向上的位移．

解答：解：（1）小朋友沿斜槽AB下滑，由牛頓第二定律知，mgsinθ-μmgcosθ=ma
解得a=4.4m/s²．
（2）由vB2=2a

H

sinθ

，解得小朋友滑到B點的速度vB2=88(m/s)2
從B到C，由動能定理得，mgR(1-cosθ)=

1

2

mv2-

1

2

mvB2
解得：v=10m/s．
滑到C點時，由牛頓第二定律，FC-mg=m

v2

R

解得F_C=1300N
根據(jù)牛頓第三定律，小朋友對槽面的壓力F_C′=F_C=1300N．
（3）在從C點滑出至落到水面的過程中，小朋友做平拋運動．
由h=

1

2

gt2得，t=0.4s．
在水平方向上的位移x=vt=4m．
答：（1）小朋友沿斜槽AB下滑時加速度a的大小為4.4m/s²．
（2）小朋友滑到C點時速度v的大小及對C點時受到槽面的壓力Fc的大小為1300N．
（3）在從C點滑出至落到水面的過程中，小朋友在水平方向位移x的大小為4m．

點評：解決本題的關鍵知道小朋友經(jīng)歷了勻加速直線運動，圓周運動和平拋運動，根據(jù)動能定理、牛頓第二定律以及運動學公式綜合求解．