题目内容
为了迎接2008年北京奥运会的召开，我市某校的物理兴趣小组设计了如图所示的玩具轨道，其中“2008”四个等高数字是用内壁光滑的薄壁细圆玻璃管弯成，固定在竖直平面内（所有数字均由圆形和直圆管组成，P点与M、N点等高，圆半径比细管的内径大得多），底端与水平地面相切．右端的弹射装置将一个小球（小球的直径略小于玻璃管的内径，且可以视为质点），以va=5m/s的水平初速度由a点弹出，从b点进入玻璃轨道，依次经过“8002”后从p点水平抛出．设小球与地面ab段间的动摩擦因数u=0.3，不计其它机械能损失．已知ab段长x=1.5m，数字“0”的半径R=0.2m，小球的质量m=0.01kg，取g=10m/s2．试求：
（1）小球运动到数字“8”的最高点N处和数字“0”的最高点M处的角速度之比．
（2）小球到达数字“8”的最高点N时管道对小球作用力的大小和方向．
（3）小球从p点抛出后落到地面时的速度．
（1）小球运动到数字“8”的最高点N处和数字“0”的最高点M处的角速度之比．
（2）小球到达数字“8”的最高点N时管道对小球作用力的大小和方向．
（3）小球从p点抛出后落到地面时的速度．
（1）由机械能守恒定律知，小球在M和N两点的速度相同，由公式v=ωr得两点的角速度之比为
=
=
（2）小球由位置a经b运动到N点的过程，应用动能定理得：μmgx+mg×2R=
m
-
m
设小球在N点轨道给它的压力为FN，由牛顿第二定律得FN+mg=m
FN=2m
-mg=2×0.01×
-0.01×10=0.7(N)
方向竖直向下
（3）由机械能守恒定律知，小球过P点以速度vP=vN=
m/s做平抛运动，则有
2R=
gt2t=
=
=
(s)
vy=gt=10×
=2
(m/s)
小球的落地速度为v=
=
=4(m/s)
设落地速度与水平方向的夹角为θ，则有tanθ=
=
=1
θ=45°
答：（1）小球运动到数字“8”的最高点N处和数字“0”的最高点M处的角速度之比为
．
（2）小球到达数字“8”的最高点N时管道对小球作用力的大小为0.7N，方向竖直向下．
（3）小球从p点抛出后落到地面时的速度为4m/s，与 水平方向的夹角为45°．
| ωN |
| ωM |
| RM |
| RN |
| 2 |
| 1 |
（2）小球由位置a经b运动到N点的过程，应用动能定理得：μmgx+mg×2R=
| 1 |
| 2 |
| v | 2a |
| 1 |
| 2 |
| v | 2N |
|
设小球在N点轨道给它的压力为FN，由牛顿第二定律得FN+mg=m
| ||
| R/2 |
FN=2m
| ||
| R |
| 8 |
| 0.2 |
方向竖直向下
（3）由机械能守恒定律知，小球过P点以速度vP=vN=
| 8 |
2R=
| 1 |
| 2 |
|
|
| ||
| 5 |
vy=gt=10×
| ||
| 5 |
| 2 |
小球的落地速度为v=
|
| 8+8 |
设落地速度与水平方向的夹角为θ，则有tanθ=
| vy |
| vp |
| ||
|
θ=45°
答：（1）小球运动到数字“8”的最高点N处和数字“0”的最高点M处的角速度之比为
| 2 |
| 1 |
（2）小球到达数字“8”的最高点N时管道对小球作用力的大小为0.7N，方向竖直向下．
（3）小球从p点抛出后落到地面时的速度为4m/s，与 水平方向的夹角为45°．
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