题目内容

9.如图所示,质量为m的小球,套在如图所示的光滑轨道上滑下.轨道由斜轨与半径为R的圆轨道平滑连接而成.
(1)若小球自高3R处初速为零滑下,滑到最低点时的速度大小为多少?
(2)若小球自高3R处初速为零滑下,小球对轨道最低点的压力大小为多少?
(3)若小球滑下后恰好刚能够到达圆周的最高点,小球在轨道最高点时轨道对小球的压力大小和方向怎样?
(4)若小球从静止滑下后恰好刚能够到达圆周的最高点,则开始下滑处的高度H应为多少?

分析 (1)由机械能守恒求解;
(2)由牛顿第二定律求得支持力,即可由牛顿第三定律求得压力;
(3)根据牛顿第二定律求解;
(4)由机械能守恒求解.

解答 解:小球在光滑轨道上运动,只有重力做功,机械能守恒;
(1)由机械能守恒可得:$3mgR=\frac{1}{2}m{v}^{2}$
解得小球自高3R处初速为零滑下,滑到最低点时的速度大小为:$v=\sqrt{6gR}$;
(2)对小球在最低点应用牛顿第二定律可得:小球受到的支持力为:${F}_{N}=mg+\frac{m{v}^{2}}{R}=7mg$;
那么,由牛顿第三定律可得:小球自高3R处初速为零滑下,小球对轨道最低点的压力大小为7mg;
(3)若小球滑下后恰好刚能够到达圆周的最高点,那么小球在轨道最高点的速度为零,故由牛顿第二定律可知:小球在轨道最高点时受到的轨道作用力为mg,方向竖直向上;
(4)若小球从静止滑下后恰好刚能够到达圆周的最高点,那么由机械能守恒可得:开始下滑处的高度H=2R;
答:(1)若小球自高3R处初速为零滑下,滑到最低点时的速度大小为$\sqrt{6gR}$;
(2)若小球自高3R处初速为零滑下,小球对轨道最低点的压力大小为7mg;
(3)若小球滑下后恰好刚能够到达圆周的最高点,小球在轨道最高点时轨道对小球的压力大小为mg,方向竖直向上;
(4)若小球从静止滑下后恰好刚能够到达圆周的最高点,则开始下滑处的高度H应为2R.

点评 经典力学问题一般先对物体进行受力分析,求得合外力及运动过程做功情况,然后根据牛顿定律、动能定理及几何关系求解.

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