题目内容

11.如图所示,竖直平面内有一光滑圆弧轨道,其半径为R=0.5m,平台与轨道的最高点等高.一质量m=0.8kg的小球从平台边缘的A处水平射出,恰能沿圆弧轨道上P点的切线方向进入轨道内侧,轨道半径OP与竖直线的夹角为53°,已知sin53°=0.8,cos53°=0.6,g取10/m2.试求:
(1)小球从平台上的A点射出时的速度大小v0;
(2)小球从平台上的射出点A到圆轨道入射点P之间的水平距离l;
(3)小球到达圆弧轨道最低点时的速度大小;
(4)小球沿轨道通过圆弧的最高点Q时对轨道的内壁还是外壁有弹力,并求出弹力的大小.

分析 (1)恰好从光滑圆弧PQ的P点的切线方向进入圆弧,说明到到P点的速度vP方向与水平方向的夹角为θ,这样可以求出初速度v0;
(2)从A到P是平抛运动,根据分位移公式列式求解即可;
(3)对从A到圆弧最低点过程根机械能守恒定律列式求解末速度;
(4)根据机械能守恒定律求得Q点速度,再运用牛顿第二定律和圆周运动知识求解.

解答 解:(1)小球从A到P的高度差为:h=R(1+cos53°)
从A到P是平抛运动,根据分运动公式,有:
$h=\frac{1}{2}g{t}^{2}$
vy=gt
$tan53°=\frac{{v}_{y}}{{v}_{0}}$
联立并代入数据解得:v0=3m/s 
(2)从A到P是平抛运动,根据分位移公式,有:
l=v0t
$h=\frac{1}{2}g{t}^{2}$
联立并代入数据解得:l=1.2m 
(3)从A到圆弧最低点,根据机械能守恒定律,有:
$\frac{1}{2}m{v_1}^2=mg2R+\frac{1}{2}m{v_0}^2$
代入数据解得:${v_1}=\sqrt{29}$m/s 
(4)小球从A到达Q时,根据机械能守恒定律可知:vQ=v0=3m/s;
在Q点,根据牛顿第二定律,有:
${F_N}+mg=m\frac{{{v_0}^2}}{R}$
解得:${F}_{N}=-mg+m\frac{{{v}_{0}}^{2}}{R}$=-0.8×10+0.8×$\frac{{3}^{2}}{0.5}$=6.4N>0
根据牛顿第三定律,小球对外管壁有压力,为6.4N;
答:(1)小球从平台上的A点射出时的速度大小为3m/s;
(2)小球从平台上的射出点A到圆轨道入射点P之间的水平距离l为1.2m;
(3)小球到达圆弧轨道最低点时的速度大小为$\sqrt{29}$m/s;
(4)小球沿轨道通过圆弧的最高点Q时对轨道的外壁有弹力,弹力的大小为6.4N.

点评 本题综合考查了平抛运动和圆周运动,关键是要进行过程分析和状态分析,根据平抛运动分运动公式、机械能守恒定律和牛顿第二定律列式求解,求解弹力时要找到向心力来源,不难.

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