Question

（2006?宿遷一模）如圖2所示是游樂場(chǎng)中過山車的實(shí)物圖片，圖1是過山車的模型圖．在模型圖中半徑分別為R₁=2.0m和R₂=8.0m的兩個(gè)光滑圓形軌道，固定在傾角為α=37°斜軌道面上的Q、Z兩點(diǎn)，且兩圓形軌道的最高點(diǎn)A、B均與P點(diǎn)平齊，圓形軌道與斜軌道之間圓滑連接．現(xiàn)使小車（視作質(zhì)點(diǎn)）從P點(diǎn)以一定的初速度沿斜面向下運(yùn)動(dòng)．已知斜軌道面與小車間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=1/24，g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8．問：
（1）若小車恰好能通過第一個(gè)圓形軌道的最高點(diǎn)A處，則其在P點(diǎn)的初速度應(yīng)為多大？
（2）若小車在P點(diǎn)的初速度為10m/s，則小車能否安全通過兩個(gè)圓形軌道？

Answer 1

分析：（1）小車恰好能通過第一個(gè)圓形軌道的最高點(diǎn)A處時(shí)，由重力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律求出小球經(jīng)過A點(diǎn)的速度．由幾何知識(shí)求出P、Q間的距離S_PQ，運(yùn)用動(dòng)能定理研究小球從P到A的過程，求解P點(diǎn)的初速度．
（2）首先根據(jù)小車在P點(diǎn)的初速度10m/s，與第一問中v₀比較，分析小車能否安全通過圓弧軌道O₁．若小車恰能通過B點(diǎn)，由重力提供向心力，由牛頓第二定律列方程，求出小車通過B點(diǎn)的臨界速度，根據(jù)動(dòng)能定理求出小車在P點(diǎn)的臨界速度，再確定小車能否安全通過兩個(gè)圓形軌道．

解答：解：
（1）設(shè)小車經(jīng)過A點(diǎn)時(shí)的臨界速度為v₁，則有
mg=

m v 2 1

R1

設(shè)Q點(diǎn)與P點(diǎn)高度差為h₁，PQ間距離為L(zhǎng)₁，
L1=

R1(1+cosα)

sinα

P到A對(duì)小車，由動(dòng)能定理得：
-(μmgcosα)L1=

1

2

m

v

2 1

-

1

2

m

v

2 01

解得v₀₁=4m/s
（2）Z點(diǎn)與P點(diǎn)高度差為h₂，PZ間距離為L(zhǎng)₂
L2=

R2(1+cosα)

sinα

小車能安全通過兩個(gè)圓形軌道的臨界條件是在B點(diǎn)速度為v₂且在B點(diǎn)時(shí)有：mg=

m v 2 2

R2

設(shè)P點(diǎn)的初速度為：v₀₂
P點(diǎn)到B點(diǎn)的過程，由動(dòng)能定理得：
-(μmgcosα)L2=

1

2

m

v

2 2

-

1

2

m

v

2 02

解得：v₀₂=8m/s…（2分）
可知v₀₂=8m/s＜10m/s，能安全通過．
答：1）若小車恰好能通過第一個(gè)圓形軌道的最高點(diǎn)A處，則其在P點(diǎn)的初速度應(yīng)為4m/s；
（2）若小車在P點(diǎn)的初速度為10m/s，則小車能安全通過兩個(gè)圓形軌道．

點(diǎn)評(píng)：對(duì)于物體在豎直平面內(nèi)光滑圓軌道最高點(diǎn)的臨界速度v=

gR

，要在理解的基礎(chǔ)上加強(qiáng)記憶，圓周運(yùn)動(dòng)往往與動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒等進(jìn)行綜合．本題難點(diǎn)在于運(yùn)用幾何知識(shí)求距離．中等難度．