题目内容


如图所示,ABCD为竖直平面内固定的光滑轨道,其中AB为斜面,BC段是水平的, CD段为半径R= 0. 2 m的半圆,圆心为O,与水平面相切于C点,直径CD垂直于BC。现将小球甲从斜面上距BC高为的A点由静止释放,到达B点后只保留水平分速度沿水平面运动,与静止在C点的小球乙发生弹性碰撞,己知甲、乙两球的质量均为m=1.0,重力加速度g取10 m/s2.(水平轨道足够长,甲、乙两球可视为质点)求:

(1)   甲乙两球碰撞后,乙恰能通过轨道的最高点D,则甲、乙碰后瞬间,乙对半圆轨道最低点C处的压力F;

(2)   在满足(1)的条件下,求斜面与水平面的夹角θ

(3)   若将甲仍从A点释放,増大甲的质量,保持乙的质量不变,求乙在轨道上的首次落点到C点的距离范围.


【答案】(1);(2);(3)

【命题立意】本题旨在考查动量守恒定律、向心力、动能定理的应用。

【解析】(1)乙恰能通过轨道的最高点D,则重力恰好通过向心力,设乙到达D点时的速度为,得:

乙球从C到D的过程中机械能守恒,得:

联立以上两式得:

乙球在C点受到的支持力与重力的合力提供向心加速度,得:

所以:

由牛顿第三定律可知,乙对半圆轨道最低点C处的压力与轨道对小球的支持力大小相等,即:

(2)甲与乙的质量相同,所以甲与乙发生弹性碰撞的过程二者交换速度,所以甲到达C的速度等于乙在C点的速度,即:

甲从A滑到B的过程中机械能守恒,得:

甲到达B点后只保留水平分速度沿水平面运动,则:

所以:

则:

(3)将甲仍从A点释放,增大甲的质量为M,甲到达C的速度仍然是,保持乙的质量不变,仍然发生弹性碰撞,以向左为正方向,则:
根据动量守恒定律,得:

根据机械能守恒定律,得:

联立解得:,

当甲的质量比乙的质量大很多是时候,乙球的速度最大,,即最大速度约为原来速度的2倍。

乙离开圆轨道后做平抛运动,运动的时间:

水平方向做匀速直线运动,速度最小时的水平方向的位移:

速度最大时的水平方向的位移:

即:

答:(1)甲、乙碰后瞬间,乙对半圆轨道最低点C处的压力是;

(2)斜面与水平面的夹角是;

(3)若将甲仍从A点释放,增大甲的质量,保持乙的质量不变,乙在轨道上的首次落点到C点的距离范围是。

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