题目内容

19.游乐场的过山车可以底朝上在圆轨道上运行,游客却不会掉下来.我们可把这种情形抽象为如图所示的模型:弧形轨道的下端与竖直轨道相接,使小球从弧形轨道上端滚下,小球进入圆轨道下端后沿圆轨道运动.若圆轨道光滑可忽略摩擦阻力,小球质量为m,圆轨道半径为R,小球从静止滚下的上端A位置高度为h,若小球刚好能通过圆轨道最高点C并贴着轨道从低端滑出,求:
(1)小球过轨道C点时动能为多大?
(2)轨道上端的高度h多大?
(3)小球通过轨道最低点B时对轨道的压力多大?

分析 (1)小球恰能通过最高点,那么小球在最高点时应该是恰好是物体的重力作为物体的向心力,由向心力的公式可以求得此时的最小的速度和动能;
(2)再由机械能守恒可以求得离地面的高度h.
(3)小球由静止运动到最低点的过程中,由机械能守恒定律求得最低点的速度,由牛顿运动定律求解小球在通过圆轨道的最低点时对轨道的压力.

解答 解:(1)小球恰能通过最高点,即小球通过最高点时恰好不受轨道的压力,重力提供向心力.由牛顿运动定律有:
mg=$\frac{m{v}^{2}}{R}$
小球在最高点处的速度至少为:v=$\sqrt{gR}$ 
小球的动能:${E}_{k}=\frac{1}{2}m{v}^{2}=\frac{1}{2}mgR$
(2)小球由静止运动到最高点的过程中,只有重力做功.由机械能守恒定律得:
mgh=$\frac{1}{2}$mv2+mg•2R
联立解得:h=2.5R.
(3)小球由静止运动到最低点的过程中,由机械能守恒定律有:
mgh=$\frac{1}{2}$mv′2
小球在最低点,在重力和轨道的支持力作用下做圆周运动.由牛顿运动定律有:
N-mg=$\frac{mv{′}^{2}}{R}$                                                   
联立解得:N=6mg.
答:(1)小球过轨道C点时动能为$\frac{1}{2}mgR$.
(2)轨道上端的高度h是2.5R;
(3)小球通过轨道最低点B时对轨道的压力是6mg.

点评 本题属于圆周运动中绳的模型,在最高点时应该是重力恰好做为圆周运动的向心力,对于圆周运动中的两种模型一定要牢牢的掌握住.

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