题目内容

【题目】如图甲所示,游乐场的过山车可以底朝上在竖直圆轨道上运行,可抽象为图乙所示的模型.倾角为45°的直轨道AB、半径R=10 m的光滑竖直圆轨道和倾角为37°的直轨道EF.分别通过水平光滑衔接轨道BC、C′E平滑连接,另有水平减速直轨道FG与EF平滑连接,EG间的水平距离l=40 m.现有质量m=500 kg的过山车,从高h=40 m处的A点静止下滑,经BCDC′EF最终停在G点.过山车与轨道AB、EF间的动摩擦因数均为μ1=0.2,与减速直轨道FG间的动摩擦因数μ2=0.75.过山车可视为质点,运动中不脱离轨道,g取10 m/s2.求:

(1)过山车运动至圆轨道最低点C时的速度大小;

(2)过山车运动至圆轨道最高点D时对轨道的作用力;

(3)减速直轨道FG的长度x.(已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)

【答案】(1) (2)7×103 N (3)30 m

【解析】试题分析:根据动能定理可求过山车运动至圆轨道最低点C时的速度大小;过山车从C到D的过程,由动能定理可得经过D点时的速度,由牛顿第二定律可求过山车运动至圆轨道最高点D时轨道对过山车的作用力,从而求得过山车运动对轨道的作用力。对C到G点的过程,运用动能定理,求出减速轨道FG的长度x.

(1)设C点的速度为vC,由动能定理得

代入数据解得:

(2)设D点速度为vD,从C到D由动能定理得

在D点,由牛顿第二定律得

解得:F=7×103 N

由牛顿第三定律知,过山车在D点对轨道的作用力为7×103 N,方向竖直向上.

(3) 对C到G点的过程全程应用动能定理:

代入数据解得:x=30m.

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