Question

如圖所示，豎直的半圓型光滑軌道與水平軌道相切，軌道半徑R=0.2m．質量m=0.2kg的小球以某一速度正對半圓型軌道運動，B、D兩點分別是半圓軌道的最低點和最高點，小球經(jīng)過B點的速度為v_B=5m/s，達到D點時加速度的大小為4.5g，求：（取=1.4 ）
（1）小球經(jīng)過B、D兩個位置時對軌道的壓力分別多大？
（2）小球從D點飛出后落到水平軌道的位置與B點相距多遠？

Answer 1

解：
（1）D點：根據(jù)牛頓第二定律得，F(xiàn)_D+mg=ma_D，代入解得F_D=7N．
由牛頓第三定律得，小球經(jīng)過D時對軌道的壓力大小為7N，方向豎直向上．
由a_D=，得到v_D==3m/s．
小球從B到D過程，由機械能守恒定律得
2mgR+=
代入解得 v_B==
B點：根據(jù)牛頓第二定律得，F(xiàn)_B-mg=m
代入解得 F_B=19N
由牛頓第三定律得，小球經(jīng)過B時對軌道的壓力大小為19N，方向豎直向下．
（2）小球從D點飛出以v_D=3m/s的初速度做平拋運動．
豎直方向：2R=
水平方向：x=v_Dt
聯(lián)立上兩式解得 x=0.84m
答：（1）小球經(jīng)過B、D兩個位置時對軌道的壓力分別為19N和7N；
（2）小球從D點飛出后落到水平軌道的位置與B點相距0.84m．
分析：（1）小球經(jīng)過D點時，由重力和軌道彈力的合力提供向心力，由牛頓第二定律求出小球經(jīng)過D點時受到的彈力和速度．小球從B到D的過程，只有重力做功，其機械能守恒，根據(jù)機械能守恒定律求出小球經(jīng)過B點的速度，再牛頓運動定律求解小球經(jīng)過B點對軌道的壓力．
（2）小球從D點飛出后做平拋運動，豎直方向做自由落體運動，由高度2R求出時間．水平方向做勻速直線運動，由公式x=v_Dt求出小球落到水平軌道的位置與B點的距離．
點評：本題整合了牛頓運動定律、機械能守恒定律、平拋運動等知識，中等難度．抓住圓周運動的向心力是由指向圓心的合力提供．