题目内容

“翻滚过山车”的物理原理可以用如图所示装置演示.光滑斜槽轨道AD与半径为R=0.1m的坚直圆轨道(圆心为O)相连,AD与圆O相切于D点,B为轨道的最低点,∠DOB=37°.质量为m=0.1kg的小球从距D点L=1.3m处静止开始下滑,然后冲上光滑的圆形轨道(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8).求:

(1)

小球在光滑斜槽轨道上运动和加速度的大小;

(2)

小球通过B点时对轨道的压力大小;

(3)

试分析小球能否通过竖直圆轨道的最高点C,并说明理由.

答案:
解析:

(1)

解答:由牛顿第二定律∑F=ma可知:mgsin37°=ma……①

故a=gsin37°=m/s2(2分)

(2)

解:小球由A到B的过程中只有重力做功,符合机械能守恒.选B点为重力势能的零点,即mg(Lsin37°+hDB)=……②(1分)

hDB=R(1-cos37°)……③(1分)

在B处由牛顿第二定律∑F=ma

……④(1分)

联立②③④可得……⑤

将已知条件代入上式得NB=17N(1分)

由牛顿第三定律可知:小球通过B点时对轨道的压力大小为17N.(1分)

(3)

解:小球在竖直平面由沿轨道做圆周运动,通过最高点的最小速度设为v0

则有……⑥(1分)

小球从A点由静止开始滑下到达最高点C,此过程只有重力对小球做功,故机械能守恒.选C点为重力势能的零点,则有mg[Lsin37°-R(1+cos37°)]=……⑤(1分)

求得

所以小球能通过轨道最高点C.(1分)


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