题目内容

【题目】如图所示,为了研究过山车的原理,物理小组提出了下列的设想:取一个与水平方向夹角为θ=37°、长为 L=2.0m 的粗糙的倾斜轨道 AB,通过水平轨道 BC 与竖直圆轨道相连, 竖直圆轨道的半径可调,出口为水平轨道DE,整个轨道除 AB 段以外都是光滑的。其中AB与BC轨道以微小圆弧相接,如图所示。一个质量为2kg的小物块(可视为质点),以初速度v0=4.0m/s,从某一高处水平抛出,恰从 A 点无碰撞地沿倾斜轨道滑下。已知小物块与倾斜轨道AB 间的动摩擦因数μ=0.5(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8):

(1)求小物块的抛出点和 A 点之间的高度差h;

(2)为了让小物块能沿着轨道运动,并从E点飞出,则竖直圆轨道的半径 R应该满足什么条件;

(3)若圆轨道半径Rm ,小物块将在圆轨道上的 F 点脱离轨道,求小物块脱离轨道后所能达到的最大高度 H。

【答案】(1)0.45m;(2)R≤0.66m;(3)

【解析】

(1)令下落的高度差为h,小物块到达A处时,水平分速度为vx,竖直分速度为vy

可得

h=0.45m

(2)小物块能沿轨道做圆周运动,设在圆周顶点时的速度为v1,则有

mg≤

对B点到圆轨道顶点运动过程运用动能定理

对A点到B点运动过程运用动能定理

若物块从水平轨道DE滑出,圆弧轨道的半径有R≤0.66m

(3)考虑到物块从F点脱离轨道,有FN=0,脱离时速度方向与竖直方向夹角为β

对F点列出受力方程

对B点到F点过程运用动能定理

解得

所以

即物块脱离轨道后所能达到的最大高度

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