题目内容

某游乐场过山车模型简化为如图所示,光滑的过山车轨道位于竖直平面内,该轨道由一段斜轨道和与之相切的圆形轨道连接而成,圆形轨道的半径为R,可视为质点的过山车从斜轨道上某处由静止开始下滑,然后沿圆形轨道运动.
(1)若要求过山车能通过圆形轨道最高点,则过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度至少要多少?
(2)考虑到游客的安全,要求全过程游客受到的支持力不超过自身重力的7倍,过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度h不得超过多少?
分析:(1)根据过山车能通过圆形轨道最高点得出在最高点的速度值,根据运动过程机械能守恒求解.
(2)过圆周最低点根据牛顿第二定律和机械能守恒求解.
解答:解:(1)设过山车总质量为M,从高度h1处开始下滑,恰能以v1过圆周轨道最高点.
在圆轨道最高点有:Mg=M
v12
R
…①
运动过程机械能守恒:Mgh1=2MgR+
1
2
Mv12
…②
由①②式得:
h1=2.5R                 
高度h至少要2.5R.
(2)设从高度h2处开始下滑,过圆周最低点时速度为v2,游客受到的支持力最大是FN=7mg.
最低点:FN-mg=m
v22
R
…③
运动过程机械能守恒:mgh2=
1
2
mv22
…④
由③④式得:
h2=3R           
高度h不得超过3R.
答:(1)若要求过山车能通过圆形轨道最高点,则过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度至少是2.5R.
(2)考虑到游客的安全,要求全过程游客受到的支持力不超过自身重力的7倍,过山车初始位置相对于圆形轨道底部的高度h不得超过3R.
点评:本题考查机械能守恒及竖直面内的圆周运动,选择合适的过程,并注意竖直面内圆周运动的临界条件即可求解.
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