题目内容

14.如图所示,一个半径为R的四分之三圆弧形光滑细圆管轨道ABC固定在竖直平面内,轨道在A点与水平地面AD相接,地面与圆心O等高.MN是放在水平地面上长度为2R、厚度不计的垫子,左端M正好位于A点.将一个质量为m的小球(可视为质点)从A点正上方的P点由静止释放,不计空气阻力,重力加速度为g.
(1)若小球恰好能到达管口C点,求P、A两点的高度差h1;
(2)若小球从管口C点飞出后恰好打到MN的中点,求P、A两点的高度差h2;
(3)设P、A两点的高度差为h,试推导在小球能打到MN的前提下,轨道管口C点对小球的弹力F的大小随高度h的变化关系式.

分析 (1)小球恰好能到达管口C点时速度为零,根据机械能守恒定律求P、A两点的高度差h1;
(2)小球离开C点做平抛运动,根据平抛运动的规律求解小球经过圆管的最高点C点时的速度.再由机械能守恒定律求P、A两点的高度差h2;
(3)在C点,由重力和圆管的作用力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律求出圆管对小球的作用力.

解答 解:(1)小球恰好能到达管口C点时速度为零,根据机械能守恒定律得
    mgR=mgh1.
解得 h1=R
(2)小球离开C点做平抛运动,则有
  竖直方向:R=$\frac{1}{2}$gt2
  水平方向:2R=v1t  
联立解得,v1=$\sqrt{2gR}$
根据机械能守恒定律得
    mgR+$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$=mgh2.
解得 h2=2R
(3)当小球经过C点时轨道对小球无作用力时速度为v.
则有  mg=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
得 v=$\sqrt{gR}$
对应下落的高度设为h.则有 mgR+$\frac{1}{2}m{v}^{2}$=mgh
解得 h=$\frac{3}{2}$R
当小球从管口C点飞出后恰好打到M点时,则有
   竖直方向:R=$\frac{1}{2}$gt2
   水平方向:R=v2t  
解得 v2=$\sqrt{\frac{1}{2}gR}$
对应下落的高度设为h′.则有 mgR+$\frac{1}{2}mv{′}^{2}$=mgh′
解得 h′=$\frac{5}{4}$R
当小球从管口C点飞出后恰好打到N点时,则有
   竖直方向:R=$\frac{1}{2}$gt2
   水平方向:3R=v3t  
解得 v3=$\sqrt{\frac{9}{2}gR}$
对应下落的高度设为h″.则有 mgR+$\frac{1}{2}mv{″}^{2}$=mgh″
解得 h″=$\frac{13}{4}$R
当$\frac{5}{4}$R≤h≤$\frac{3}{2}$R时,小球通过C点时,管口对小球有向上的弹力,根据牛顿第二定律得
    mg-F=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$
根据机械能守恒定律得 
   mgR+$\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}$=mgh
联立解得 F=-$\frac{2mg}{R}$h+3mg
当$\frac{3}{2}$R<h≤$\frac{13}{4}$R时,小球通过C点时,管口对小球有向上的弹力,根据牛顿第二定律得
    F-mg=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$
根据机械能守恒定律得 
   mgR+$\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}$=mgh
联立解得 F=$\frac{2mg}{R}$h-3mg
答:
(1)P、A两点的高度差h1是R.
(2)P、A两点的高度差h2是2R.
(3)当$\frac{5}{4}$R≤h≤$\frac{3}{2}$R时,F=-$\frac{2mg}{R}$h+3mg.当$\frac{3}{2}$R<h≤$\frac{13}{4}$R时,F=$\frac{2mg}{R}$h-3mg.

点评 本题要分析清楚物体的运动过程,根据物体不同的运动状态,采用相应的物理规律求解即可.

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