Question

如图，Q为一个原来静止在光滑水平面上的物体，其DB段为一半径为R的光滑圆弧轨道，AD段为一长度为L=R的粗糙水平轨道，二者相切于D点，D在圆心O的正下方，整个轨道位于同一竖直平面内．物块P的质量为m（可视为质点），P与AD间的动摩擦因数μ=0.1，物体Q的质量为M=2m，重力加速度为g．
（1）若Q固定，P以速度v₀从A点滑上水平轨道，冲至C点后返回A点时恰好静止，求v₀的大小和P刚越过D点时对Q的压力大小．
（2）若Q不固定，P仍以速度v₀从A点滑上水平轨道，求P在光滑圆弧轨道上所能达到的最大高度h．

Answer 1

（1）P从A到C又返回A的过程中，由动能定理有
-μmg?2L=0-

1

2

m

v

20

①
将L=R代入①解得
v₀=

2gR 5

②
若P在D点的速度为v_D，Q对P的支持力为F_D，由动能定理和牛顿定律有
-μmgL=

1

2

m

v

2D

-

1

2

m

v

20

③
根据牛顿第二定律得
F_D-mg=m

v 2D

R

④
联立解得
F_D=1.2mg⑤
由牛顿第三定律可知，P对Q的压力大小也为1.2mg．
（2）当PQ具有共同速度v时，P达到的最大高度h，由动量守恒定律有
mv₀=（m+M）v⑥
由功能关系有

1

2

m

v

20

=μmgL+

1

2

（m+M）v²+mgh⑦
联立解得
h=

1

30

R
答：（1）若Q固定，P以速度v₀从A点滑上水平轨道，冲至C点后返回A点时恰好静止，v₀的大小是

2gR 5

，P刚越过D点时对Q的压力大小是1.2mg．
（2）若Q不固定，P仍以速度v₀从A点滑上水平轨道，P在光滑圆弧轨道上所能达到的最大高度h是

1

30

R．