题目内容

如图所示,竖直平面内的 3/4 圆弧形光滑轨道半径为 R,A 端与圆心 O 等高,AD 为水平面,B 点为光滑轨道的最高点且在O 的正上方,一个小球在 A 点正上方某处由静止释放,自由下落至 A 点进入圆轨道并知通过 B 点时受到轨道的弹力为mg(从A点进入圆轨道时无机械能损失),最后落到水平面 C 点处.求:
(1)释放点距 A 点的竖直高度 h和落点 C 到 A 点的水平距离X
(2)如果将小球由h=R处静止释放,请问小球能否通过最高点B点,如果不能通过,请求出脱离圆轨道的位置E与O的连线与竖直方向夹角的正弦值.
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(1)小球通过最高点B时,由牛顿第二定律,有:
mg+
F N
=
mv2B
R
,又
F N
=mg,解得
v B
=
2gR

设释放点到A点高度为h,小球从释放到运动至B点的过程中,
根据动能定理,有:mg(h-R)=
1
2
m
v2B

联立①②解得 h=2R,
由平抛规律R=
1
2
gt2 
,X=
v B
t,联立解得x=2R,所以C点距A点距离△x=2R-R=R
即释放点距A点的竖直高度h为2R,落点C到A点的水平距离为R.
(2)小球到达B点时最小速度为v,有mg=
mv2 
R
,
若能到达最高点应满足mgR=
1
2
mv2 
+mgR,显然不可能成立,即不能到最高点.
设到最高点E的速度为
v E
,E与O的连线与竖直方向夹角θ,由动能定理有mgR(1-cosθ)=
1
2
mv2E
①,
在E点脱离轨道时有mgcosθ=
mv2E
R
②
联立①②解得cosθ=
2
3
,所以sinθ=
1-(cosθ
)2 
=
5
3

即小球不能通过最高点E,小球脱离圆轨道的位置E与O的连线与竖直方向夹角的正弦值
5
3
.
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