题目内容

如图所示,半径为R的光滑半圆环轨道竖直固定在一水平光滑的桌面上,桌距水平地面的高度也为R.在桌面上轻质弹簧被a、b两个小球挤压(小球与弹簧不拴接),处于静止状态.同时释放两个小球,小球a、b与弹簧在水平桌面上分离后,a球从B点滑上光滑半圆环轨道并恰能通过半圆环轨道最高点A,b球则从桌面C点滑出后落到水平地面上,落地点距桌子右侧的水平距离为
5
2
R
.已知小球a质量为m,重力加速度为g.
求:(1)释放后a球离开弹簧时的速度大小;
(2)释放后b球离开弹簧时的速度大小;
(3)释放小球前弹簧具有的弹性势能.
分析:(1)小球a恰好能通过A点,重力提供向心力,根据牛顿第二定律列式求解A点速度,然后根据机械能守恒定律求解a球刚离开弹簧时的速度;
(2)b球离开桌面后做平抛运动,根据平抛运动的规律列式求解;
(3)弹簧弹开两个球过程,系统机械能守恒,总动量也守恒,根据守恒定律列方程求解.
解答:解:(1)a球恰能通过半圆环轨道最高点A,故有:mg=m
v
2
A
R
;
a球从B运动到A过程中机械能守恒,固有:
1
2
m
v
2
B
=
1
2
m
v
2
A
+2mgR
;
联立解得:va=vB=
5gR

即释放后a球离开弹簧时的速度大小为
5gR
;
(2)b球则从桌面C点滑出做平抛运动:
竖直分运动:h=
1
2
gt2

水平分运动:vC=
x
t

代入数据求得:vb=vc=
5gR
2

故释放后b球离开弹簧时的速度大小为
5gR
2
;
(3)以ab与弹簧为研究对象,动量守恒:0=mva-mbvb
解得:mb=2m
弹簧的弹性势能为:EP=
1
2
m
v
2
a
+
1
2
mb
v
2
b

解得
EP=3.75mgR
故释放小球前弹簧具有的弹性势能为3.75mgR.
点评:本题关键明确两个球各个过程中的运动情况,然后对分别运用动量守恒定律、机械能守恒定律、平抛运动的规律列式求解.
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