Question

【題目】如圖甲，PNQ為豎直放置的半徑為0.1 m的半圓形軌道，在軌道的最低點(diǎn)P和最高點(diǎn)Q各安裝了一個(gè)壓力傳感器，可測(cè)定小球在軌道內(nèi)側(cè)通過(guò)這兩點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力FP和FQ.軌道的下端與一光滑水平軌道相切，水平軌道上有一質(zhì)量為0.06 kg的小球A，以不同的初速度v0與靜止在軌道最低點(diǎn)P處稍右側(cè)的另一質(zhì)量為0.04 kg的小球B發(fā)生碰撞，碰后形成一整體(記為小球C)以共同速度v沖入PNQ軌道．(A、B、C三小球均可視為質(zhì)點(diǎn)，g取10 m/s2)

(1)若FP和FQ的關(guān)系圖線如圖乙所示，求：當(dāng)FP＝13 N時(shí)所對(duì)應(yīng)的入射小球A的初速度v0為多大？

(2)當(dāng)FP＝13 N時(shí)，AB所組成的系統(tǒng)從A球開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)到整體達(dá)到軌道最高點(diǎn)Q全過(guò)程中所損失的總機(jī)械能為多少？

(3)若軌道PNQ光滑，小球C均能通過(guò)Q點(diǎn)．試推導(dǎo)FP隨FQ變化的關(guān)系式，并在圖丙中畫(huà)出其圖線．

Answer 1

【答案】（1） （2）0.6 J (3) FQ＝FP－6(N)

【解析】試題分析：小球經(jīng)過(guò)P、Q兩點(diǎn)時(shí)，由重力和軌道對(duì)小球的支持力的合力提供向心力，AB相碰，滿(mǎn)足動(dòng)量守恒，根據(jù)牛頓第二定律及動(dòng)量守恒定律列式即可求出速度；先求出AB相碰所損失的機(jī)械能，根據(jù)動(dòng)能定理求出從球C從P運(yùn)動(dòng)至Q的過(guò)程中摩擦力做功，進(jìn)而求出小球損失的機(jī)械能；軌道光滑，小球C由P至Q的過(guò)程中機(jī)械能守恒，可列出小球經(jīng)過(guò)AC兩點(diǎn)的速度關(guān)系，再由牛頓第二定律得到FP隨FQ變化的關(guān)系式，畫(huà)出圖線。

（1）設(shè)A球的質(zhì)量為M，B球的質(zhì)量為m，由牛頓第三定律可知，小球在P、Q兩點(diǎn)所受軌道的彈力大小為：NP=FP，NQ=FQ
在P點(diǎn)根據(jù)牛頓第二定律可得：

帶入數(shù)據(jù)解得：

A、B相碰過(guò)程中滿(mǎn)足動(dòng)量守恒：Mv0=（M+m）vP

帶入數(shù)據(jù)解得：

(2) A、B相碰所損失的機(jī)械能：

帶入數(shù)據(jù)解得：

球C在Q點(diǎn)由牛頓第二定律得：

球C從P運(yùn)動(dòng)至Q的過(guò)程，根據(jù)動(dòng)能定理得：

聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)解得：Wf＝－0.2 J

故球C上升過(guò)程中所損失的機(jī)械能ΔE2＝0.2 J

故整個(gè)系統(tǒng)在全過(guò)程中所損失的機(jī)械能ΔE＝ΔE1＋ΔE2＝0.6 J　

（3）因軌道光滑，小球C由P至Q的過(guò)程中根據(jù)動(dòng)能定理得：

聯(lián)立解得：NP－NQ＝6(M＋m)g

即FQ＝FP－6(N)

圖線如圖所示