题目内容

如图所示,一个
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圆弧形光滑细圆管轨道ABC,放置在竖直平面内,轨道半径为R,在A 点与水平地面AD相接,地面与圆心O等高,MN是放在水平地面上长为3R、厚度不计的垫子,左端M正好位于A点.将一个质量为m、直径略小于圆管直径的小球从A处管口正上方某处由静止释放,不考虑空气阻力.
(1)若小球从C点射出后恰好能打到垫子的M端,则小球经过C点时对管的作用力大小和方向如何?
(2)若小球从C点射出后恰好能打到垫子的M端,小球从释放到进入光滑细圆管的时间和从C点射出打到垫子的M端所经历的时间之比是多少?
(3)欲使小球能通过C点落到垫子上,小球离A点的最大高度是多少?
分析:(1)离开C点小球做平抛运动,由平抛运动的规律可以求得C点速度的大小.根据牛顿第二定律求得弹力;
(2)小球从最高点到C点的过程中机械能守恒,根据机械能使守恒定律求解高度H,再根据自由落体运动求解时间,从而求出时间比;
(3)小球下降的高度最高时,小球运动的水平位移为4R,打到N点根据平抛运动求得速度.根据机械能守恒定律求解.
解答:解:(1)小球离开C点做平抛运动,落到M点时水平位移为R,竖直下落高度为R,根据运动学公式可得:
R=
1
2
gt2

运动时间t=
2R
g

从C点射出的速度为
v1=
R
t
=
gR
2

设小球以v1经过C点受到管子对它的作用力为N,由向心力公式可得
mg-N=m
v12
R

N=mg-m
v12
R
=
mg
2

由牛顿第三定律知,小球对管子作用力大小为
mg
2
,方向竖直向下. 
(2)小球从最高点到C点的过程中机械能守恒,则
mg(H-R)=
1
2
mv12

解得:H=
5
4
R

小球从H高处自由下落,则H=
1
2
gt′2

解得:t′=
5R
2g

则
t′
t
=
5R
2g
2R
g
=
5
2

(3)小球下降的高度最高时,小球运动的水平位移为4R,打到N点.
设能够落到N点的水平速度为v2,根据平抛运动求得:
v2=
4R
t
=
8gR

设小球下降的最大高度为H,根据机械能守恒定律可知,
mg(H-R)=
1
2
mv22

解得:H=
v22
2g
+R=5R

答:(1)若小球从C点射出后恰好能打到垫子的M端,则小球经过C点时对管的作用力大小为
mg
2
,方向竖直向下;
(2)若小球从C点射出后恰好能打到垫子的M端,小球从释放到进入光滑细圆管的时间和从C点射出打到垫子的M端所经历的时间之比是
5
2
;
(3)欲使小球能通过C点落到垫子上,小球离A点的最大高度是5R
点评:知道物体的运动过程,根据物体的不同的运动状态,采用相应的物理规律求解即可.
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