题目内容

(14分)

如图所示,一个四分之三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点与水平桌面AD相接,桌面与圆心O等高。MN是放在水平桌面上长为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处管口正上方某点由静止释放,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)欲使小球能通过c点落到垫子上,小球离A点的最大高度应是多少?

 

【答案】

(1)小球对管子作用力大小为,方向竖直向下

(2)

【解析】(1)小球离开C点做平抛运动,设经过C点时的速度为v1,从C点到M点的运动时间为t,根据运动学公式可得:

…………………………………………………………………①(2分)

……………………………………………………………②(2分)

设小球经过c点时受到管子对它的作用力为N,向下的方向为正方向。由牛顿第二定律可得:

   ……………………………………………………………③(2分)

    联立①②③式可得:………………………………………………(1分)

    由牛顿第三定律可知。小球对管子作用力大小为,方向竖直向下………f(1分)

   (2)小球下降的高度最大时,小球平抛运动的水平位移为4R,打到N点。

设能够落到N点的过C点时水平速度为v2,根据运动学公式可得:  

    4R=v2t………………………一……………………………………………④(1分)

设小球下降的最大高度为H,根据动能定理可知:

  …………………………………………………………⑤(3分)

联立②④⑤式可得:

…………………………………………………⑤(2分)

 

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