题目内容
过山车是游乐场中常见的设施.下图是一种过山车的简易模型,它由水平轨道和在竖直平面内的三个圆形轨道组成,
B、C、D分别是三个圆形轨道的最低点,B、C间距与C、D间距相等,半径R1=2.0 m、R2=1.4 m.一个质量为m=1.0 kg的小球(视为质点),从轨道的左侧A点以v0=12.0 m/s的初速度沿轨道向右运动,A、B间距L1=6.0 m.小球与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.2,圆形轨道是光滑的.假设水平轨道足够长,圆形轨道间不相互重叠.重力加速度取g=10 m/s2,计算结果保留小数点后一位数字试求(1)小球在经过第一个圆形轨道的最高点时,轨道对小球作用力的大小;
(2)如果小球恰能通过第二圆形轨道,B、C间距L应是多少;
(3)在满足(2)的条件下,如果要使小球不能脱离轨道,在第三个圆形轨道的设计中,半径R3应满足的条件;小球最终停留点与起点A的距离.
答案:
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解: (1)设小于经过第一个圆轨道的最高点时的速度为v1根据动能定理 小球在最高点受到重力 mg和轨道对它的作用力F,根据牛顿第二定律 由①②得 F=10.0 N(2)设小球在第二个圆轨道的最高点的速度为v2,由题意 由④⑤得 L=12.5 ⑥(3)要保证小球不脱离轨道,可分两种情况进行讨论: I.轨道半径较小时,小球恰能通过第三个圆轨道,设在最高点的速度为v3,应满足 由⑥⑦⑧得 II.轨道半径较大时,小球上升的最大高度为R3,根据动能定理 解得 为了保证圆轨道不重叠, R3最大值应满足 解得 R3=27.9 m综合Ⅰ、Ⅱ,要使小球不脱离轨道,则第三个圆轨道的半径须满足下面的条件 或 当 当 |
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