题目内容

【题目】某校科技节期间举办“云霄飞车”比赛,小敏同学制作的部分轨道如图甲所示,倾角θ=的直轨道AB,半径R1=1m的光滑圆弧轨道BC,半径R2=0.4m的光滑螺旋圆轨道CDC′,如图乙所示,光滑圆弧轨道C′E,水平直轨道FG(与圆弧轨道同心圆O1等高),其中轨道BC、C′E与圆轨道最低点平滑连接且C、C′点不重叠,∠BO1C=∠CO1E=.整个轨道处在竖直平面内,比赛中,小敏同学让质量m=0.04kg的小球从轨道上A点静止下滑,经过BCDC′E后刚好飞跃到水平轨道F点,并沿水平轨道FG运动.直轨道AB与小球的动摩擦因数μ=0.3,小球可视为质点,sin=0.6,cos=0.8,g=10m/s2,求:

(1)小球运动到F点时的速度大小;

(2)小球运动至圆轨道最高点D时对轨道的作用力大小;

(3)A点离水平地面的高度.

【答案】(1)m/s(2)2.84N(3)3.9m

【解析】

(1)小球从E运动到F的逆过程是平抛运动,设小球离开E点时竖直分速度为vy,小球运动到F点时的速度大小为vF.由2gh=vy2可得

vy===m/s=4m/s

由分速度关系得:

tan=

解得:

vF=m/s

(2)从D到F的过程,由机械能守恒定律得:

mvD2+2mgR2=mgR1+mvF2

在D点,对小球,由向心力公式得:

mg+N=m

联立解得:

N≈2.84N

由牛顿第三定律知,小球运动至圆轨道最高点D时对轨道的作用力大小为2.84N.

(3)设A点离水平地面的高度为H,从A到F的过程,由动能定理得:

mg(H-R1)-μmgcosθ=mvF2-0

解得:

H≈3.9m

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