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6.滑板运动是一种陆地上的“冲浪运动”,滑板运动员可在不同的滑坡上滑行,做出各种动作,给人以美的享受.如图是模拟的滑板组合滑行轨道,该轨道由足够长的斜直轨道、半径R的凹形圆弧轨道和半径R的凸形圆弧轨道组成,这三部分轨道处于同一竖直平面内且依次平滑连接,其中M点为凹形圆弧轨道的最低点,N点为凸形圆弧轨道的最高点,凸形圆弧轨道的圆心O点与M点处在同一水平面上,一质量为m可看作质点的滑板,从斜直轨道上的P点无初速滑下,经过M点滑向N点,滑板又从N点水平抛出落到一倾角为θ的斜面上的Q点时,其速度方向与斜面垂直,运动轨迹如右图中虚线所示.已知滑板过M点及N点的速度分别为v1和v2(v2<$\sqrt{gR}$),不计一切阻力,重力加速度为g.

(1)设滑板滑到M点及N点时受到轨道的支持力大小分别为F1和F2,求$\frac{{F}_{1}}{{F}_{2}}$=?
(2)滑板落到斜面上的Q点时的速度多大?
(3)滑板从N落到斜面上的Q点时所需要的时间为多少?

分析 (1)在M点和N点进行受力分析,合外力提供向心力,根据向心力公式列式即可求解;
(2)滑板从N点水平抛出垂直斜面到达Q点,根据几何关系即可求解;
(3)根据平抛运动的基本公式即可求解时间.

解答 解:(1)对M点,根据向心力公式得:
${F}_{1}-mg=m\frac{{{v}_{1}}^{2}}{R}$
对N点,根据向心力公式得:
$mg-{F}_{2}=m\frac{{{v}_{2}}^{2}}{R}$
解以上两式得:$\frac{{F}_{1}}{{F}_{2}}=\frac{{{v}_{1}}^{2}+gR}{{{v}_{2}}^{2}-gR}$
(2)滑板从N点水平抛出垂直斜面到达Q点,根据几何关系得:$v=\frac{{v}_{2}}{sinθ}$;
(3)抛出后做平抛运动,根据几何关系得:${v}_{y}=\frac{{v}_{2}}{tanθ}$,
又vy=gt
解得:t=$\frac{{v}_{2}}{gtanθ}$.
答:(1)滑板滑到M点及N点时受到轨道的支持力大小之比为$\frac{{{v}_{1}}^{2}+gR}{{{v}_{2}}^{2}-gR}$;
(2)滑板落到斜面上的Q点时的速度为$\frac{{v}_{2}}{sinθ}$;
(3)滑板从N落到斜面上的Q点时所需要的时间为$\frac{{v}_{2}}{gtanθ}$.

点评 本题主要考查了向心力公式、平抛运动基本公式的直接应用,要能根据几何关系得出速度,难度适中.

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