题目内容

(17分)如图所示,一个3/4圆弧形光滑细圆管轨道ABC,放置在竖直平面内,轨道半径为R,在A点与水平地面AD相接,地面与圆心O等高,MN是放在水平面上长为3R、厚度不计的垫子,左端M正好位于点A。现将一个质量为m、直径略小于圆管直径的小球从A处、管口正上方某处由静止释放,不考虑空气阻力。

(1) 若小球从C点射出后恰好落到垫子的M端, 则小球经过C点时对管的作用力大小和方向如何?
(2) 欲使小球能通过C点落到垫子上,试计算小球离A点下落的最大高度?

(1) 竖直向下  (2)5R

解析试题分析:(1)小球离开C点做平抛运动,落在M点时水平位移为R,竖直下落高度为R,
由运动学公式可得     
解得小球下落的时间,  
小球从C点射出的速度
设小球经过C点时受到管子对它的作用力为N,方向竖直向上
由向心力公式可得:     解得N=
由牛顿第三定律可知,小球对管的作用力大小为,方向竖直向下。
(2)根据机械能守恒定律,小球下降的高度越高,在C点小球获得的速度越大。要使小武汉落到垫子上,小球水平方向的运动位移应为R~4R,由于小球每次平抛运动的时间相同,速度越大,水平方向运动的距离越大,故应使小球在水平方向上的运动的最大位移为4R,落到N点。设能够落到N点的水平速度为v,
根据平抛运动得 
由机械能守恒定律可知 , 解得H=5R
考点: 平抛运动、牛顿运动定律、机械能守恒定律

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