21.(16分)过山车是游乐场中常见的设施.下图是一种过山车部分轨道的简易模型,它由θ=45°的倾斜轨道和在竖直平面内的三个圆形轨道及水平轨道组成。A是倾斜轨道的最高点,其最低点与B平滑相连,且弯道部分长度忽略不计,B、C、D分别是三个圆形轨道的最低点,B、C间距与C、D间距相等,半径R1=15.0m、R2=12.0m。一个质量为m=500kg的车厢(视为质点),从倾斜轨道的最高点A点由静止开始滑下,A、B的高度差H=60m.车厢与倾斜及水平轨道间的动摩擦因数=0.2,圆形轨道是光滑的.假设水平轨道足够长,圆形轨道间不相互重叠.取g=10m/s2,求:
(1)车厢在经过第一个圆形轨道的最高点时,轨道对车厢作用力的大小;
(2)如果车厢恰能通过第二个圆形轨道,B、C间距L应是多少?
(3)在满足(2)的条件下,要使车厢能安全通过第三个圆形轨道的最高点,半径R3应满足什么条件?
20.(16分)如图所示,离地面足够高处有一竖直的空管,质量为20kg,管长为24m,M、N为空管的上、下两端,空管受到F=160N竖直向上的恒力作用,由静止开始竖直向下做加速运动,同时在M处一个大小不计的小球沿管的中心轴线竖直上抛,不考虑空气阻力,取g=10m/s2,求:
(1)若小球上抛的初速度为10m/s,经过多长时间从管的N端穿出?
(2)若此空管的N端距离地面的高度为25m,欲使在空管到达地面时小球必须落到管内,在其他条件不变的前提下,求小球初速度的大小范围.
(2)理论计算表明,当物体的速度达第一宇宙速度的倍时,物体将逃离天体对它的引力,不再绕天体运行。由黑洞理论可知,任何物体即使是光,也不能逃离黑洞,已知G=6.67×10―11N?m2/kg2,c=3.0×108m/s,求黑洞“人马座A*”的最大半径.
(1)已知太阳质量Ms=2.0×1030kg,若将S2星的运行轨道视为半径r=9.50×102个天文单位的圆轨道,试估算“人马座A*”的质量MA;
19.(13分)2008年12月,天文学家通过观测的数据确认了银河系中央的黑洞“人马座A*”的质量与太阳质量的关系。研究发现,有一星体S2绕“人马座A*”做椭圆运动,其轨道半长轴为9.50×102个天文单位(地球公转轨道的半径为一个天文单位),“人马座A*”就处在该椭圆的一个焦点上,观测得到S2星的运行周期为15.2年。(计算结果保留一位有效数字)
18.(13分)当遇到下大雪时,路面会大量积雪,这时汽车行驶在马路上就会打滑,给交通运输带来极大的影响。高速公路就会封闭,已知汽车橡胶轮胎与普通路面的动摩擦因数为0.7,与积雪路面的动摩擦因数为0.05。当汽车在高速公路上以某一速度沿水平普通路面行驶时,急刹车后(设车轮立即停止转动),汽车要滑行70m才能停下.那么,该汽车若以同样的速度在积雪的水平路面上行驶,求:(取g=10m/s2)
(1)汽车紧急刹车后在积雪的水平路面上滑行的距离是多少?
(2)要使汽车紧急刹车后在积雪的水平路面上70m内停下,汽车行驶的速度不超过多少?
17.(10分)A、B两球质量分别为和,用一劲度系数为的弹簧相连,一长为的细线与相连,置于水平光滑桌面上,细线的另一端拴在数值轴上,如图所示。当与均以角速度绕做匀速圆周运动且稳定后,弹簧长度为。求:
(1)此时绳子的张力大小。
(2)将线突然烧断的瞬间,A球的加速度是多大?