题目内容

4.如图所示,在同一个竖直平面内,倾角θ=37°的光滑斜面的顶端连接一内壁光滑的半径为R(圆管的内径远小于R)的半圆管PQ,圆管与斜面最高点P相切.一轻质弹簧的下端与固定挡板连接,用力使小球A把弹簧从原长位置(O点)压缩至N位置并由静止释放,小球A恰好能到达斜面顶端P位置.已知NP=3R,小球A的质量为m,直径略小于圆管内径,重力加速度为g,sin37°=0.6,cos37°=0.8.求:
(1)弹簧被压缩至N位置时的弹性势能;
(2)用力使另一小球B(直径略小于圆管内径)仍把弹簧从原长位置(O点)压缩至N位置并由静止释放,要使小球B能沿轨道从Q端射出,小球B质量满足的条件.

分析 (1)小球A从N到P的运动过程中机械能守恒,由机械能守恒定律可以求出弹簧的弹性势能.
(2)要使小球B能沿轨道从Q端射出,那么到达圆管最高点M点的速度大于等于零.对于小球B从N点到M点的过程,根据机械能守恒定律求解即可.

解答 解:(1)小球A从N到P的过程中机械能守恒,以A点为重力势能0点,由机械能守恒定律:
Ep弹=mg•3Rsinθ
解得弹簧被压缩至N位置时的弹性势能为:Ep弹=1.8mgR               
(2)设小球B的质量为m′,要使小球B能沿轨道从Q端射出,那么到达圆管最高点M点的速度:vM≥0
小球B从N点到M点,根据机械能守恒定律得:
Ep弹=(m′g•3Rsinθ+m′gRcosθ+m′gR)+$\frac{1}{2}m{v}_{M}^{2}$
解得:m′≤$\frac{1}{2}$m
答:(1)弹簧被压缩至N位置时的弹性势能是1.8mgR.
(2)要使小球B能沿轨道从Q端射出,小球B质量满足的条件是m′≤$\frac{1}{2}$m.

点评 本题综合运用了能量守恒定律和圆周运动的临界条件,要灵活选取研究的过程,选用适当的规律进行求解,要明确只要小球能通过最高点M,就能从Q端射出.

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