13.(09·安徽·24)(20分)过山车是游乐场中常见的设施。下图是一种过山车的简易模型,它由水平轨道和在竖直平面内的三个圆形轨道组成,BCD分别是三个圆形轨道的最低点,BC间距与CD间距相等,半径。一个质量为kg的小球(视为质点),从轨道的左侧A点以的初速度沿轨道向右运动,AB间距m。小球与水平轨道间的动摩擦因数,圆形轨道是光滑的。假设水平轨道足够长,圆形轨道间不相互重叠。重力加速度取,计算结果保留小数点后一位数字。试求

  (1)小球在经过第一个圆形轨道的最高点时,轨道对小球作用力的大小;

  (2)如果小球恰能通过第二圆形轨道,BC间距应是多少;

  (3)在满足(2)的条件下,如果要使小球不能脱离轨道,在第三个圆形轨道的设计中,半径应满足的条件;小球最终停留点与起点的距离。

答案:(1)10.0N;(2)12.5m(3) 当时, ;当时,

解析:(1)设小于经过第一个圆轨道的最高点时的速度为v1根据动能定理

           ①

  小球在最高点受到重力mg和轨道对它的作用力F,根据牛顿第二定律

                               ②

由①②得                            ③

(2)设小球在第二个圆轨道的最高点的速度为v2,由题意

                                ④

                ⑤

由④⑤得                           ⑥

(3)要保证小球不脱离轨道,可分两种情况进行讨论:

I.轨道半径较小时,小球恰能通过第三个圆轨道,设在最高点的速度为v3,应满足

                               ⑦

                 ⑧

由⑥⑦⑧得      

II.轨道半径较大时,小球上升的最大高度为R3,根据动能定理

        

解得         

为了保证圆轨道不重叠,R3最大值应满足

        

解得        R3=27.9m

综合I、II,要使小球不脱离轨道,则第三个圆轨道的半径须满足下面的条件

        

或       

时,小球最终焦停留点与起始点A的距离为L′,则

        

         

时,小球最终焦停留点与起始点A的距离为L〞,则

        

 0  446021  446029  446035  446039  446045  446047  446051  446057  446059  446065  446071  446075  446077  446081  446087  446089  446095  446099  446101  446105  446107  446111  446113  446115  446116  446117  446119  446120  446121  446123  446125  446129  446131  446135  446137  446141  446147  446149  446155  446159  446161  446165  446171  446177  446179  446185  446189  446191  446197  446201  446207  446215  447090 

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