题目内容

9.如图所示,倾角为θ的光滑倾斜轨道在最底端与一半径为r的光滑半圆弧轨通过极短的一小段光滑曲轨道平滑连接,使半圆轨道的最高点、圆心、最低点在同一竖直线上,让一质量为m的小球从倾斜轨道上某一位置由静止释放
(1)如果小球对圆弧轨道的最大压力不能超过7mg,求小球释放点高度h的范围?(用r表示)
(2)如果在运动过程中要求小球不在轨道最高点和最低点之间脱离轨道,求小球释放点高度h的范围?(用r表示)
(3)试判断小球有没有可能垂直落在斜面上,若能,斜面倾角θ具体应满足什么条件?若不能,请说明理由.

分析 (1)小球在最低点对轨道的压力最大,根据牛顿第二定律求出最低点的最大速度,结合动能定理求出最大高度.
(2)小球在轨道最高点和最低点之间不脱离轨道,一种情况是能够越过最高点,另一种情况是不越过四分之一轨道,结合牛顿第二定律和动能定理求出释放点高度的范围.
(3)根据平抛运动的规律,结合几何关系判断小球能否垂直落在斜面上,根据平抛运动初速度的条件得出斜面倾角满足的条件.

解答 解:(1)小球在最低点对轨道的压力最大,根据${F}_{N}-mg=m\frac{{v}^{2}}{r}$得小球在最低点的速度为:
v=$\sqrt{6gr}$,
根据动能定理得:mgh=$\frac{1}{2}m{v}^{2}-0$,
解得:h=3r.
可知小球释放点高度h的范围为h≤3r.
(2)小球在最高点,根据mg=$m\frac{{{v}_{1}}^{2}}{r}$得:${v}_{1}=\sqrt{gr}$,
根据动能定理得:$mg(h-2r)=\frac{1}{2}m{{v}_{1}}^{2}-0$,
解得:h=2.5r.
若小球恰好到达四分之一圆环轨道处,根据动能定理得:mg(h′-r)=0-0,
解得:h′=r,
可知小球释放点高度h的范围为h≥2.5r 或 h≤r.
(3)由平抛运动规律和几何关系可知,$tanθ=\frac{{v}_{0}}{gt}$,解得:t=$\frac{{v}_{0}}{gtanθ}$,
小球的竖直位移为:y=$\frac{1}{2}g{t}^{2}=\frac{{{v}_{0}}^{2}}{2gta{n}^{2}θ}$,
落点到最低点的高度差为x,且x=v0ttanθ,解得:x=$\frac{{{v}_{0}}^{2}}{g}$,
由几何关系知:x+y=2r,
联立解得:${{v}_{0}}^{2}$=$\frac{4grta{n}^{2}θ}{2ta{n}^{2}θ+1}$,
若能垂直落在斜面上,要满足${{v}_{0}}^{2}$=$\frac{4grta{n}^{2}θ}{2ta{n}^{2}θ+1}$>gr,该式有解,解得tanθ$≥\frac{\sqrt{2}}{2}$.
即小球能垂直落在斜面上,斜面倾角应满足tanθ$≥\frac{\sqrt{2}}{2}$.
答:(1)如果小球对圆弧轨道的最大压力不能超过7mg,小球释放点高度h的范围为h≤3r.
(2)如果在运动过程中要求小球不在轨道最高点和最低点之间脱离轨道,小球释放点高度h的范围为h≥2.5r 或 h≤r.
(3)能,斜面倾角应满足tanθ$≥\frac{\sqrt{2}}{2}$.

点评 本题综合考查了动能定理与圆周运动和平抛运动的综合,知道圆周运动向心力的来源和平抛运动在水平方向和竖直方向上的运动规律是解决本题的关键.

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