(1)将重力分解为下滑力和垂直斜面的分力,有
G
1=mgsinθ
G
2=mgcosθ
由于物体在垂直斜面方向无运动,受力平衡,所以始终有
N=G
2= mgcosθ (1)
则物体所受的滑动摩擦力
f=μN=μmgcosθ (2)
在物体摆动α=90°的过程中,由动能定理有
mgLsinθ -
="0" – 0 (3)
由(2)(3)可得:
(4)
(2)根据上问数据可知
f < G
1所以如果没有细绳物体不可能在斜面上平衡,所以物体平衡时应该使细绳拉紧,物体首先应停在斜面上以O为圆心,绳长为半径的圆上。
假设物体处于临界平衡状态,摩擦力为最大静摩擦力f,设此时细绳与OP夹角为α
0,由物体平衡,三力合力为零,首尾相接之后组成闭合三角形,可得:
(5)
综上所述,物体能够平衡的位置为,在斜面上以O点为圆心,OP长为半径的圆上;且在OP下方使得细绳与OP夹角α的取值范围为[arccos
,π - arccos
]。
评分标准:
(1)问6分,(2)(3)(4)各2分。
(2)问6分,(5)2分,描述物体在圆上2分,得出α的角度范围2分(用别的角度描述也可)。
本题考查单摆运动的周期公式,小球在斜面上做单摆运动,把重力分解为垂直和平行斜面的两个分力,垂直斜面方向受力平衡,由此求得摩擦力大小,在物体摆动α=90°的过程中,由动能定理可知合力做功为零,绳子的拉力不做功,只有重力和摩擦力做功,摩擦力作用与路程有关,由此可求得动摩擦因数大小,由此可知摩擦力大小小于重力沿斜面向下的分力,所以如果没有细绳物体不可能在斜面上平衡,所以物体平衡时应该使细绳拉紧,物体首先应停在斜面上以O为圆心,绳长为半径的圆上,随意找一个临界状态,摩擦力为最大静摩擦力f,由受力平衡列出公式,求得角度的取值范围