题目内容

10.如图所示,ABC和DEF是在同一竖直平面内的两条光滑轨道,其中ABC的末端水平,DEF是半径为r=0.8m的半圆形轨道,其直径DF沿竖直方向,C、D可看作重合.现一有质量m=2kg可视为质点的小球从轨道ABC上距C点高为H的地方由静止释放(取g=10m/s2).
(1)若要使小球经C处水平进入轨道DEF且能沿轨道运动,H至少要有多高?
(2)若小球静止释放处离C点的高度h小于(1)中H的最小值,小球可击中与圆心等高的E点,求h.
(3)若小球自H=0.6m处静止释放,求小球到达F点对轨道的压力大小.

分析 (1)小球从ABC轨道下滑,机械能守恒.设到达C点时的速度大小为υ.小球能在竖直平面内做圆周运动,在圆周最高点D必须满足mg≤m$\frac{{v}^{2}}{r}$,联立即可求解H;
(2)小球恰好击中与圆心等高的E点,根据平抛运动的特点求出C点速度,再根据机械能守恒定律求h;
(3)先根据机械能守恒定律求出到达F点的速度,再根据向心力公式即可求解压力.

解答 解:(1)小球从ABC轨道下滑,机械能守恒,设到达C点时的速度大小为υ.则:
由机械能守恒定律得
    mgH=$\frac{1}{2}$mv2…①
小球能在竖直平面内做圆周运动,在圆周最高点必须满足:mg≤m$\frac{{v}^{2}}{r}$…②
①、②联立并代入数据得:H≥0.4m
所以H至少要有0.4m高.
(2)若小球恰好击中与圆心等高的E点,则由平抛运动的规律得:
竖直方向有:r=$\frac{1}{2}g{t}^{2}$
水平方向有:r=vCt
由机械能守恒定律有 mgh=$\frac{1}{2}m{v}_{C}^{2}$
联立解得 h=0.2m
(3)设小球到达F点的速度为vF,则由机械能守恒定律得:
   mg(H+2r)=$\frac{1}{2}$mvF2;
在F点有:N-mg=m$\frac{{v}_{F}^{2}}{r}$
联立解得:N=75N
根据牛顿第三定律得:小球到达F点时对轨道的压力大小为75N
答:
(1)若要使小球经C处水平进入轨道DEF且能沿轨道运动,H至少要有0.4m高.
(2)若小球静止释放处离C点的高度h小于(1)中H的最小值,小球可击中与圆心等高的E点,h是0.2m.
(3)若小球自H=0.6m处静止释放,小球到达F点对轨道的压力大小是75N.

点评 本题是圆周运动结合平抛运动的题型,要知道小球能在竖直平面内做圆周运动,在圆周最高点必须满足mg≤m$\frac{{v}^{2}}{r}$,若不满足,则小球做平抛运动.

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