如图7所示,竖直平面内的34圆弧形光滑轨道半径为R,A端与圆心O等高,AD为水平面,B点为光滑轨道的最高点且在O的正上方,一个小球在A点正上方某处由静止释放,自由下落至A点进

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 牛顿第二定律/2022-10-29 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

如图7所示,竖直平面内的
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4
圆弧形光滑轨道半径为 R,A 端与圆心 O 等高,AD 为水平面,B 点为光滑轨道的最高点且在O 的正上方,一个小球在 A 点正上方某处由静止释放,自由下落至 A 点进入圆轨道并知通过 B 点时受到轨道的弹力为mg(从A点进入圆轨道时无机械能损失),最后落到水平面 C 点处.求:
(1)释放点距 A 点的竖直高度 h和落点 C 到 A 点的水平距离x;
(2)如果将小球由h=R处静止释放,请问小球能否通过最高点B点,如果不能通过,请求出脱离圆轨道的位置E与O的连线与竖直方向夹角的正弦值.
魔方格

◎ 答案

(1)小球通过最高点B时,由牛顿第二定律,有:
mg+FN=m
vB2
R

又FN=mg
解得:vB=

2gR

设释放点到A点高度为h,小球从释放到运动至B点的过程中,
根据动能定理,有:mg(h-R)=
1
2
mvB2

解得:h=2R,
由平抛规律:R=
1
2
gt2

x=vBt,
联立解得x=2R,所以C点距A点距离:△x=2R-R=R
即释放点距A点的竖直高度h为2R,落点C到A点的水平距离为R.
(2)小球到达B点时最小速度为v,有:mg=m
v 2
R

若能到达最高点应满足mgR=
1
2
mv2
+mgR,显然不可能成立,即不能到最高点.
设到最高点E的速度为vE
E与O的连线与竖直方向夹角θ,由动能定理有:mgR(1-cosθ)=
1
2
mvE2
…①,
在E点脱离轨道时有:mgcosθ=m
vE2
R
…②
联立①②解得:cosθ=
2
3

所以:sinθ=

5
3

答:(1)释放点距 A 点的竖直高度 h和落点 C 到 A 点的水平距离为R;
(2)如果将小球由h=R处静止释放,小球不能通过最高点B点,小球脱离圆轨道的位置E与O的连线与竖直方向夹角的正弦值为
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