题目内容

【题目】如图所示,光滑轨道槽ABCD与粗糙轨道槽GH(点G与点D在同一高度但不相交,FH与圆相切)通过光滑圆轨道EF平滑连接,组成一套完整的轨道,整个装置位于竖直平面内。现将一质量的小球甲从AB段距地面高处静止释放,与静止在水平轨道上、质量为1kg的小球乙发生完全弹性碰撞。碰后小球乙滑上右边斜面轨道并能通过轨道的最高点E点。已知CDGH与水平面的夹角为θ=37°GH段的动摩擦因数为μ=0.25,圆轨道的半径R0.4mE点离水平面的竖直高度为3RE点为轨道的最高点),()求两球碰撞后:

1)小球乙第一次通过E点时对轨道的压力大小;

2)小球乙沿GH段向上滑行后距离地面的最大高度;

3)若将小球乙拿走,只将小球甲从AB段离地面h处自由释放后,小球甲又能沿原路径返回,试求h的取值范围。

【答案】130N ;(21.62m ;(3h≤0.8mh≥2.32m

【解析】

1)小球甲从A点到B点由机械能守恒定律可得:

两小球碰撞时由动量守恒定律可得:

由机械能守恒定律可得:

小球乙从BC轨道滑至E 点过程,由机械能守恒定律得:

小球乙在E点,根据牛顿第二定律及向心力公式,

根据牛顿第三定律小球乙对轨道的压力N=N,由以上各式并代入数据得:=30N

2DG离地面的高度

设小球乙上滑的最大高度为,则小球乙在GH段滑行的距离

小球乙从水平轨道位置滑至最高点的过程,根据动能定理:

其中

由以上各式并代入数据得

3)只有小球甲时,小球甲要沿原路径返回,若未能完成圆周运动,则

若能完成圆周运动,则小球甲返回时必须能经过圆轨道的最高点E。设小球沿GH上升的竖直高度为,上升过程克服摩擦力做功为,则:

小球甲从释放位置滑至最高点的过程,根据动能定理:

设小球甲返回至G点时的速度为,根据动能定理:

G点返回至E点的过程,根据机械能守恒:

E点,

由以上各式得h=2.32m

故小球甲沿原路径返回的条件为

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