题目内容

在电视中我们常看见魔术师使圆筒在空中无任何支撑条件下运动,简称“魔环运动”,其原理如图1所示.即水平地面上竖直放置一个质量为m、半径为R的光滑金属圆筒,在圆筒最底点P安装一个储备一定能量的弹簧装置,将一质量为2m的小球A(可视为质点)置于P点,打开弹簧装置将弹簧储备的能量全部转移给A,A就会从圆筒的P点运动到最高点Q,又从Q点运动P点,在这一过程中,圆筒将离开地面时而向上或向下运动,这就是“魔环运动”.设筒的内径、弹簧装置的大小、圆筒自身的运动可以忽略,完成下列问题:
(1)要使A要到达Q点,求A在P点的最小速度.
(2)当A运动到Q点时,要使圆筒离开地面,求A在Q点的最小速度.
(3)当A运动到Q点时,要使圆筒具有大小为g,方向竖直向上的加速,则弹射装置应该储备的能量?
(4)以A在最高点对圆筒的作用力FN为纵坐标(规定向上为正),弹簧装置储备的能量E为横坐标,在图2中作出FN-E图象.
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分析:应用机械能守恒定律求速度;要使圆筒离开地面,则A在Q点所受指向圆心的合外力为3mg,由向心力公式求速度;要使圆筒的加速度为g,则A受到的合外力为4mg,由向心力公式和能量守恒即可求解.
解答:解:(1)当A要到达Q点,在Q点速度为0,由机械能守恒定律得:
2mg(2R)=
1
2
×2
mV
2
1

得:V1=2
gR

(2)要使圆筒离开地面,则A在Q点所受指向圆心的合外力为3mg,由牛顿第二定律:
3mg=
2
mV
2
2
R

 得:V2=
3gR
2

(3)要使圆筒的加速度为g,则A受到的合外力为4mg,由牛顿第二定律:
4mg=
2
mV
2
3
R

由能量守恒:E=2mg×2R+
1
2
×2
mV
2
3
=6mgR
(4)图象如图所示
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答:(1)要使A要到达Q点,A在P点的最小速度V1=2
gR
.(2)当A运动到Q点时,要使圆筒离开地面,A在Q点的最小速度V2=
3gR
2
.
(3)当A运动到Q点时,要使圆筒具有大小为g,方向竖直向上的加速,则弹射装置应该储备的能量为6mgR.(4)如图.
点评:本题才关键是分析求在最高点的受力,结合向心力公式和牛顿第二定律求解.
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