Question

如图为某种鱼饵自动投放器中的投饵管装置示意图，其下半部AB是一长为2R的竖直细管，上半部BC是半径为R的四分之一圆弧弯管，管口沿水平方向，AB管内有一原长为R、下端固定的轻质弹簧。投饵时，每次总将弹簧长度压缩到0.5R后锁定，在弹簧上段放置一粒鱼饵，解除锁定，弹簧可将鱼饵弹射出去。设质量为m的鱼饵到达管口C时，对管壁的作用力恰好为零。不计鱼饵在运动过程中的机械能损失，且锁定和解除锁定时，均不改变弹簧的弹性势能。已知重力加速度为g。求：

（1）质量为m的鱼饵到达管口C时的速度大小v₁；
（2）弹簧压缩到0.5R时的弹性势能E_p；
（3）已知地面与水面相距1.5R，若使该投饵管绕AB管的中轴线OO^-。在角的范围内来回缓慢转动，每次弹射时只放置一粒鱼饵，鱼饵的质量在到m之间变化，且均能落到水面。持续投放足够长时间后，鱼饵能够落到水面的最大面积S是多少？

Answer 1

（1）（2）（3）

解析试题分析：（1）质量为m的鱼饵到达管口C时做圆周运动的向心力完全由重力提供，则
       ①
由①式解得            ②
（2）弹簧的弹性势能全部转化为鱼饵的机械能，由机械能守恒定律有
                      ③
由②③式得           ④
（3）不考虑因缓慢转动装置对鱼饵速度大小的影响，质量为m的鱼饵离开管口C后做平抛运动，设经过t时间落到水面上，离OO^/的水平距离为x₁，由平抛运动规律有
                                   ⑤
                                    ⑥
由⑤⑥式解得                 ⑦
当鱼饵的质量为时，设其到达管口C时速度大小为v2，由机械能守恒定律有
                  ⑧
由④⑧式解得              ⑨
质量为的鱼饵落到水面上时，设离OO^/的水平距离为x₂，则
                                   ⑩
由⑤⑨⑩式解得       x₂=7R
鱼饵能够落到水平的最大面积Ｓ

考点：平抛运动、机械能守恒定律
点评：本题考查了平抛运动和机械能守恒定律的综合问题，过程复杂，运算量较大，是一道考察学生能力的好题。