题目内容

15.如图所示,光滑半圆轨道竖直放置,光滑水平轨道与之相切于半圆最低点A,水平轨道上静止放置着一质量为M=0.99kg的木块.一质量为m=0.01kg的子弹,以v0=400m/s 的速度水平射入木块,射入后与木块一起以相同速度进入圆轨道,然后运动到轨道最高点水平抛出,求圆轨道半径多大时木块落地点离A的距离最大.(g取10m/s2

分析 根据动量守恒定律求出子弹射入木块后共同的速度,结合机械能守恒定律求出到达最高点的速度,根据平抛运动的规律求出水平距离的表达式,通过数学二次函数求出距离最大时R的值.

解答 解:子弹和木块组成的系统与动量守恒,规定初速度的方向为正方向,由动量守恒定律得,
mv0=(m+M)v1,①
设圆轨道半径为R,取水平面为零势能平面,对子弹、木块由水平轨道到最高点,根据机械能守恒定律得,
$\frac{1}{2}(m+M){{v}_{1}}^{2}$=$\frac{1}{2}(M+m){{v}_{2}}^{2}$+(m+M)g•2R,②
由平抛运动的规律有:2R=$\frac{1}{2}g{t}^{2}$,③
s=v2t    ④
由以上各式解得s=$\sqrt{-16{R}^{2}+6.4R}$,
当4R=1.6-4R时,水平距离最大.
解得R=0.2m.
答:圆轨道半径为0.2m时木块落地点离A的距离最大.

点评 本题考查了动量守恒定律、机械能守恒定律与平抛运动的综合,综合性较强,对数学能力要求较高,需加强这方面的训练.

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