题目内容

16.如图所示,半径R=1.6m的$\frac{1}{4}$光滑的轨道AB与光滑水平面BC平滑连接,质量m=0.8kg的小滑块从图示位置以垂直半径OP的方向以初速度v0开始沿圆轨道下滑,最终落到与水平面BC高度差为5m的水平地面上,落点与C端水平距离也为5m,已知OP与竖直方向的夹角θ=60°,g=10m/s2,小滑块视为质点,求:
(1)小滑块经过C端时速度v的大小;
(2)小滑块经过B点时对轨道的压力.
(3)初速度v0的大小.

分析 (1)滑块离开C点后做平抛运动,将运动分解即可求出C点的速度;
(2)滑块在B点受到重力和支持力的作用,由牛顿第二定律即可求出支持力的大小,然后由牛顿第三定律说明;
(3)P到C的过程中只有重力做功,由机械能守恒定律即可求解.

解答 解:(1)滑块离开C点后做平抛运动,竖直方向:H=$\frac{1}{2}g{t}^{2}$
所以:t=$\sqrt{\frac{2H}{g}}=\sqrt{\frac{2×5}{10}}=1$s
小滑块经过C端时速度v的大小:$v=\frac{x}{t}=\frac{5}{1}=5$m/s
(2)滑块在B点的速度与在C点的速度是相等的,在B点受到重力和支持力的作用,由牛顿第二定律得:
${F}_{N}-mg=\frac{m{v}^{2}}{R}$
代入数据得:FN=20.5N
根据牛顿第三定律,滑块对轨道的压力也是20.5N
(3)设滑块开始时相对于B点的高度是h,由几何关系得:h=R-Rcosθ=1.6×(1-cos60°)=0.8m
由于P到B的过程中只有重力做功,由机械能守恒定律得:$mgh+\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}=\frac{1}{2}m{v}^{2}$
代入数据得:v0=3m/s
答:(1)小滑块经过C端时速度v的大小是5m/s;
(2)小滑块经过B点时对轨道的压力是20.5N;
(3)初速度v0的大小是3m/s.

点评 该题结合机械能守恒定律考查竖直平面内的圆周运动与平抛运动,涉及两个运动的过程,相对比较简单,写出相关的公式然后代入数据即可求出.

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