题目内容

【题目】某兴趣小组设计了一个玩具轨道模型如图甲所示,将一质量为m0.5kg的玩具小车(可以视为质点)放在P点,用弹簧装置将其从静止弹出(弹性势能完全转化为小车初始动能)使其沿着半径为r1.0m的光滑圆形竖直轨道OAO′运动,玩具小车与水平面PB的阻力为其自身重力的0.5倍(g10m/s2),PB16.0mOPB中点。B点右侧是一个高h1.25m、宽L2.0m的壕沟。求;

1)要使小车恰好能越过圆形轨道的最高点A,小车在O点受到轨道弹力的大小;

2)要求小车能安全越过A点,并从B点平抛后越过壕沟,则弹簧的弹性势能至少为多少?

3)若在弹性限度内,弹簧的最大弹性势能Epm40J,以O点为坐标原点,OBx轴,从OB方向为正方向,在图乙坐标上画出小车能进入圆形轨道且不脱离轨道情况下,弹簧弹性势能Ep与小车停止位置坐标x关系图。

【答案】1)要使小车恰好能越过圆形轨道的最高点A,小车在O点受到轨道弹力的大小是30N;(2)要求小车能安全越过A点,并从B点平抛后越过壕沟,则弹簧的弹性势能至少为44J

3

【解析】

1)小车恰好经过A点时,有:

对小车从OA过程,根据动能定理,有:

解得 v05m/s

小车在O点时,由牛顿第二定律得

联立解得:FN6mg30N

2)要求:越过A点,v05m/s

P→OEp1kmgxPOmv020

Ep132.5J

要求:平抛运动后越过壕沟,有

LvBt

hgt2

可得 vB4m/s

由动能定理,有 Ep2kmgxPBmvB20

解得 Ep244J

综上所述,弹簧的弹性势能至少为44J

3)分类讨论:因为最大弹簧势能为40J,所以小车至多运动到B点,必不平抛。

情况1:能越过A点,弹性势能 32.5J≤Ep1≤40J

Ep1kmgx100,得 13m≤x1≤16m

又因为O点是坐标原点,所以实际坐标值为 5m≤x11≤8m

情况2:恰能到达圆轨道圆心等高处,当Ep2kmgxPOmgr00,得 Ep225J

mgr=kmgx21,得 x212m

又因为O点为坐标原点,所以实际坐标值为 x21=﹣2m

恰能进入圆轨道,当Ep2kmgxPO00,得 Ep220J,此时坐标值为0

由动能定理表达式可知,Epx是线性函数图象,如图。

练习册系列答案
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a、电流表A1(量程00.6A,内阻约

b、电流表A2(量程03A,内阻约0.

c、电压表V1(量程03V,内阻约3kΩ

d、电压表V2(量程015V,内阻约2000Ω

e、滑动变阻器R1(阻值010,额定电流1A

f、滑动变阻器R2(阻值05000,额定电流500mA

请回答下列问题:

1)为了完成实验且尽可能减小实验误差,电流表应选择_______,电压表应选择_________、滑动变阻器应选择_________(填写实验器材前的序号)

2)根据所选的实验器材,请设计合理的电路原理图来完成该实验________

3)该研究性学习小组的同学用设计好的电路测得了该小电珠两端的电压U和通过该小电珠的电流,由欧姆定律计算得到的小电珠的电阻值_______(选填大于”“等于"或小于")真实值

4)该研究性学习小组的同学通过设计好的电路得到了多组实验数据,并根据得到的多组数据在坐标系中描点画图,如图所示,该图线向下弯曲,其原因是______.

5)如果取两个这样的小电珠并联以后再与一阻值为2.的定值电阻串联,并接在电动势为3.0V、内阻忽略不计的直流电源两端,则每个小电珠消耗的实际功率应为________W(结果保留两位小数)

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