题目内容

17.如图所示,一内壁光滑的细管弯成半径为R=0.4m的半圆形轨道CD,竖直放置,其内径大于小球的直径,水平轨道与竖直半圆轨道在C点平滑连接.置于水平轨道上的弹簧左端与竖直墙壁相连,B处为弹簧的自然状态.将一个质量为m=0.8kg的小球P放在弹簧的右侧后,用力向左侧推小球而压缩弹簧至A处,然后将小球由静止释放,小球运动到D处后对轨道的压力为F1=4N.水平轨道以B处为界,左侧AB段长为x=0.2m,与小球的动摩擦因数为μ=0.5,右侧BC段光滑.g=10m/s2,求:
(1)小球运动到轨道最高处C点时对轨道的压力;
(2)弹簧在压缩时所储存的弹性势能.
(3)若将小球P换成质量M=1kg的小物块Q,仍压缩弹簧自A点由静止开始释放,试讨论物块Q能否通过半圆轨道的最高点D.

分析 (1)根据动能定理求出小球到达D处的速度,根据牛顿运动定律求出小球运动到轨道最高处D点时对轨道的压力;
(2)根据牛顿第二定律求出小球到达C点时的速度,根据动能定理求出弹簧在压缩时所储存的弹性势能;
(3)由动能定理解得小球到达D点时的动能再进行判断.

解答 解:(1)在D点,由牛顿第二定律可得:F1+mg=m$\frac{{v}_{D}^{2}}{R}$         …①
在C点设轨道对小球的支持力为FN,有:FN-mg=m$\frac{{v}_{C}^{2}}{R}$   …②
由C→D由动能定理得:$\frac{1}{2}$mvC2=$\frac{1}{2}$mvD2+mgR   …③
代入数据联立解得:FN=52N                     …④
由牛顿第三定律的小球对轨道的压力为${F}_{N}^{′}$=FN=52N…⑤
(2)由功能关系可得:EP=μmgx+$\frac{1}{2}$mvC2     …⑥
代入数据解得:EP=9.6J                   …⑦
(3)设小球到达D点时的动能为EKD,则有:
EKD=EP-μmgx-2mgR          …⑧
代入数据解得:EKD=0.6J>0,
所以小物块Q可以到达D点…⑨
答:(1)小球运动到轨道最高处C点时对轨道的压力为52N;
(2)弹簧在压缩时所储存的弹性势能为9.6J;
(3)若将小球P换成质量M=1kg的小物块Q,仍压缩弹簧自A点由静止开始释放,物块Q能够通过半圆轨道的最高点D.

点评 本题是动能定理与牛顿运动定律的综合应用,来处理圆周运动问题.了解研究对象的运动过程是解决问题的前提,根据题目已知条件和求解的物理量选择物理规律解决问题.一个题目可能需要选择不同的过程多次运用动能定理研究.

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