Question

如圖所示，半徑為R的光滑半圓軌道ABC與傾角為θ=37°的粗糙斜面軌道DC相切于C，圓軌道的直徑AC與斜面垂直．質(zhì)量為m的小球從A點(diǎn)左上方距A高為h的斜面上方P點(diǎn)以某一速度水平拋出，剛好與半圓軌道的A點(diǎn)相切進(jìn)入半圓軌道內(nèi)側(cè)，之后經(jīng)半圓軌道沿斜面剛好滑到與拋出點(diǎn)等高的D處．已知當(dāng)?shù)氐闹亓�加速度為g，取R=

50

9

h，sin37°=0.6，cos37°=0.8，不計空氣阻力，求：
（1）小球被拋出時的速度v₀；
（2）小球到達(dá)半圓軌道最低點(diǎn)B時，對軌道的壓力大小；
（3）小球從C到D過程中摩擦力做的功W．

Answer 1

分析：（1）小球從P到A過程做平拋運(yùn)動，由運(yùn)動學(xué)公式求出小球經(jīng)過A點(diǎn)時豎直方向分速度，作出速度分解圖，即可求得小球被拋出時的速度v₀；
（2）從拋出點(diǎn)到B過程中，只有重力做功，機(jī)械能守恒，即可求出小球到達(dá)B點(diǎn)時的速度．在B點(diǎn)，由重力和軌道支持力的合力充當(dāng)向心力，由牛頓第二定律、第三定律求解小球?qū)�軌道的壓力大�。?br />（3）對于整個運(yùn)動過程，重力做功為零，根據(jù)動能定理求解小球從C到D過程中摩擦力做的功W．

解答：解：（1）小球到達(dá)A點(diǎn)時，速度與水平方向的夾角為θ，如圖所示．
則有 

v

2 1

=2gh  ①
由幾何關(guān)系得 v₀=v₁cotθ  ②
得 v0=

4

3

2gh

  ③
（2）A、B間豎直高度H=R（1+cosθ）④
設(shè)小球到達(dá)B點(diǎn)時的速度為v，則從拋出點(diǎn)到B過程中，根據(jù)機(jī)械能守恒有 
  

1

2

m

v

2 0

+mg(H+h)=

1

2

mv2 ⑤
在B點(diǎn)，有 FN-mg=m

v2

R

⑥
聯(lián)立解得 F_N=5.6mg⑦
由牛頓第三定律知，小球在B點(diǎn)對軌道的壓力大小是F_N′=F_N=5.6mg，方向豎直向下．             ⑧
（3）整個運(yùn)動知過程中，重力做功為零，根據(jù)動能定理得知：小球沿斜面上滑過程中摩擦力做的功等于小球做平拋運(yùn)動的初動能，有
   W=

1

2

m

v

2 0

=

16

9

mgh  ⑨
答：（1）小球被拋出時的速度v₀是

4

3

2gh

．
（2）小球到達(dá)半圓軌道最低點(diǎn)B時，對軌道的壓力大小是5.6mg，方向豎直向下．
（3）小球從C到D過程中摩擦力做的功W是

16

9

mgh．

點(diǎn)評：小球在軌道之前做的是平拋運(yùn)動，在斜面上時小球做勻減速直線運(yùn)動，根據(jù)不同的運(yùn)動的過程，分段求解即可．