题目内容

如图所示,在竖直面内有一光滑水平直轨道与半径为R=0.25 m的光滑半圆形轨道在半圆的一个端点B相切,半圆轨道的另一端点为C.在直轨道上距B为x(m)的A点,有一可看做质点、质量为m=0.1 kg的小物块处于静止状态.现用水平恒力将小物块推到B处后撤去恒力,小物块沿半圆轨道运动到C处后,恰好落回到水平面上的A点,取g=10 m/s2.求

(1)水平恒力对小物块做功W与x的关系式

(2)水平恒力做功的最小值

(3)水平恒力的最小值

答案:
解析:

  小物块从C到A的运动是平抛运动.

  (1)设小球在C处的速度为vC,则由C到A

  x=vCt (1分) y=2R=gt2 (1分)

  由以上两式得vC2=(1分)

  小球从A到C有WF-2mgR=mvC2(2分)

  解得WF=mg(2R+)=(0.5x2+0.5)J(1分)

  (2)当WF最小时,物块刚好能够通过C点,此时mvC2/R=/mg(2分)

  由C到A仍做平抛运动,所以vC2=仍成立

  由以上两式:x=2 R(1分)

  代入公式可求得恒力做功的最小值为

  WFmin=(0.5+0.5×4×0.252)J=0.625 J(1分)

  (3)由功的公式得F=(1分)

  将WF=(0.5x2+0.5)J 代入上式得F=(+0.5x)N(1分)

  由数学知识可知,当=0.5x,即x=1时F最小(1分)Fmin=1 N(1分)


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