题目内容

13.如图所示,是某电视台娱乐节目设计的一种惊险刺激的项目,图中D点为圆轨道的最低点,水平轨道DE粗糙,其动摩擦因数为μ=0.2,其余各处摩擦不计.一挑战者质量m=60kg,从高H=5m处沿斜面轨道滑下(不计过B点时的能量损失),然后滑入半径为R=1.6m圆形轨道,并作完整的圆周运动,又从D点滑至E点,最后水平飞入水池内,DE距离为L=5m,E点离水面的竖直高度为h=5m,g取10m/s2,人在运动全过程中可视为质点.
(1)此挑战者运动至圆轨道的最高点C时,求轨道对此挑战者的作用力大小;
(2)此挑战者从E点水平滑出落入水中,求入水点离水池边缘的水平距离x1;
(3)如果改变此挑战者的起始高度H,则水平距离x也会不同.为了保险起见,节目组在水面上放一只救生圈,为了完成此挑战项目并保证挑战者安全,求救生圈所放位置离水池边缘的水平距离x2最小值.

分析 (1)研究此挑战者从A运动到C点的过程,运用机械能守恒定律求出C点的速度,在C点,根据合力等于向心力,求出轨道对此挑战者的作用力.
(2)选取A到E过程研究,根据动能定理求他运动到E点的速度,再由平抛运动的规律求入水点离水池边缘的水平距离x1.
(3)挑战者刚好通过C点时为临界状态,他通过C点的速度最小,选取C到E过程研究,根据功能关系求出他通过E点的速度,再求出水平距离x2最小值.

解答 解:(1)选取D、E点所在水平面为零势能面.此挑战者从A运动到C点的过程,运用机械能守恒定律得:
 $mgH=\frac{1}{2}m{v^2}+mg2R$
在C点,由牛顿第二定律得:${N_C}+mg=m\frac{v^2}{R}$
联立解得:${N_C}=(\frac{2H}{R}-5)mg$
代入数据得:NC=750N
(2)选取A到E过程研究,根据动能定理得:
$mgH-μmgL=\frac{1}{2}mv_E^2$
挑战者离开E点后做平抛运动,则有:
x1=vEt
$y=\frac{1}{2}g{t^2}$
解得:${x_1}=2\sqrt{y(H-μL)}$
代入数据得:${x_1}=4\sqrt{5}m$
(3)刚好通过C点时,为临界状态,此时有:mg=m$\frac{{v}_{Cm}^{2}}{R}$,
得:${v_{Cm}}=\sqrt{gR}$
选取C到E过程研究,根据功能关系得:
$mg2R+\frac{1}{2}mv_{Cm}^2-μmgL=\frac{1}{2}mv_{Em}^2$
又有:${x_2}={v_{Em}}\sqrt{\frac{2y}{g}}$
联立解得:${x_2}=\sqrt{2y(5R-2μL)}$
代入数据得:${x_2}=2\sqrt{15}m$
答:(1)此挑战者运动至圆轨道的最高点C时,轨道对此挑战者的作用力大小是750N;
(2)此挑战者从E点水平滑出落入水中,入水点离水池边缘的水平距离x1是4$\sqrt{5}$m;
(3)救生圈所放位置离水池边缘的水平距离x2最小值是2$\sqrt{15}$m.

点评 本题是多过程问题,应用动能定理时要灵活选择研究的过程.对于平抛运动,要掌握运动的分解法和分运动的规律.要明确竖直平面圆周运动的临界条件:重力等于向心力.

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