為了研究過山車的原理,某興趣小組提出了下列設(shè)想:取一個(gè)與水平方向夾角為37°、長(zhǎng)為l=2.0m的粗糙傾斜軌道AB,通過水平軌道BC與豎直圓軌道相連,出口為水平軌道DE,整個(gè)軌道除 AB 段以外都是光滑的.其AB 與BC 軌道以微小圓弧相接,如圖所示.一個(gè)小物塊以初速度v0=4.0m/s從某一高處水平拋出,到A點(diǎn)時(shí)速度方向恰好沿 AB 方向,并沿傾斜軌道滑下.已知物塊與傾斜軌道的動(dòng)摩擦因數(shù) μ=0.50.(g=10m/s2、sin37°=0.60、cos37°=0.80)
(1)求小物塊到達(dá)A點(diǎn)時(shí)速度.
(2)要使小物塊不離開軌道,并從軌道DE滑出,求豎直圓弧軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件?
(3)為了讓小物塊不離開軌道,并且能夠滑回傾斜軌道 AB,則豎直圓軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件?
分析:(1)由題意可知物體平拋運(yùn)動(dòng)過程的末速度方向,則由運(yùn)動(dòng)的合成與分解可求得合速度;
(2)物體能通過最高點(diǎn),則應(yīng)保證重力充當(dāng)向心力,由臨界條件可求得最高點(diǎn)的速度,則由動(dòng)能定理可求得圓弧半徑的條件;
(3)要使物體能回到AB段中,小球應(yīng)無法通過最高點(diǎn),則由動(dòng)能定理可求得臨界半徑,則可求得豎直圓軌道的半徑條件.
解答:解:(1)小物塊做平拋運(yùn)動(dòng),
經(jīng)時(shí)間 t 到達(dá)A處時(shí),
令下落的高度為h,
水平分速度v0,
豎直速度為vy,
小物塊恰好沿斜面AB方向滑下,
則tan37°=
vy
v0

得vy=3 m/s,
所以小物塊到A點(diǎn)的速度為5m/s.
(2)物體落在斜面上后,
受到斜面的摩擦力
f=μFN=μmgcos37°
設(shè)物塊進(jìn)入圓軌道到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)有最小速度v1,
此時(shí)物塊受到的重力恰好提供向心力,
令此時(shí)的半徑為 R0,
則mg=
mv12
R0

物塊從拋出到圓軌道最高點(diǎn)的過程中,
根據(jù)動(dòng)能定理有:
mg(h+lsin37°-2R0)-μmgcos37°?l=
1
2
mv12-
1
2
mv02
聯(lián)立上式,
解得R0=0.66m,
若物塊從水平軌道DE滑出,
圓弧軌道的半徑滿足 
R1≤0.66m.
(3)為了讓小物塊不離開軌道,
并且能夠滑回傾斜軌道 AB,
則物塊上升的高度須小于或等于某個(gè)值R,
則 mg(h+lsin37°)-μmgcos37°?l-mgR=0-
1
2
mv02
解得R=1.65m
物塊能夠滑回傾斜軌道 AB,
則 R2≥1.65m.
點(diǎn)評(píng):本題考查豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件及動(dòng)能定理的應(yīng)用,要求學(xué)生能明確本題的物理過程,并能分段應(yīng)用所學(xué)物理規(guī)律求解;同時(shí)注意對(duì)題意的把握.
練習(xí)冊(cè)系列答案
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(2011?淮南一模)為了研究過山車的原理,物理小組提出了下列的設(shè)想:取一個(gè)與水平方向夾角為37°、長(zhǎng)為L(zhǎng)=2.0m的粗糙的傾斜軌道AB,通過水平軌道BC與豎直圓軌道相連,出口為水平軌道DE,整個(gè)軌道除AB段以外都是光滑的.其中AB與BC軌道以微小圓弧相接,如圖所示.一個(gè)小物塊以初速度v0=4.0m/s,從某一高處水平拋出,到A點(diǎn)時(shí)速度方向恰沿AB方向,并沿傾斜軌道滑下.已知物塊與傾斜軌道的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:
(1)小物塊的拋出點(diǎn)和A點(diǎn)的高度差;
(2)為了讓小物塊不離開軌道,并且能夠滑回傾斜軌道AB,則豎直圓軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件.
(3)要使小物塊不離開軌道,并從水平軌道DE滑出,求豎直圓弧軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件.

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為了研究過山車的原理,物理小組提出了下面的設(shè)想:取一個(gè)與水平方向夾角為37°、長(zhǎng)為L(zhǎng)=2.0m的粗糙的傾斜軌道AB,通過水平軌道BC與豎直圓軌道相連,出口為水平軌道DE,整個(gè)軌道除AB段以外都是光滑的.其中AB與BC軌道以微小圓弧相接,如圖所示.一個(gè)物塊以初速度v0=4.0m/s,從某一高處水平拋出,到A點(diǎn)時(shí)速度方向恰沿AB方向,并沿傾斜軌道滑下.已知物塊與傾斜軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.50.(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
(1)要使小物塊不離開軌道,并從水平軌道DE滑出,求豎直圓軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件?
(2)為了讓小物塊不離開軌道,并且能夠滑回傾斜軌道AB,則豎直圓軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件?
(3)若按照(2)的要求,小物塊進(jìn)入軌道后可以有多少次通過圓軌道上距水平軌道高為0.O1m的某一點(diǎn)?

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   (1)小物塊的拋出點(diǎn)和A點(diǎn)的高度差;

   (2)要使小物塊不離開軌道,并從水平軌道DE滑出,求豎直圓弧軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件;

   (3)為了讓小物塊不離開軌道,并且能夠滑回傾斜軌道AB,則豎直圓軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件。

 

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(1)小球初速度的大;

(2)小球滑過C點(diǎn)時(shí)的速率;

(3)要使小球不離開軌道,則豎直圓弧軌道的半徑應(yīng)該滿足什么條件。

 

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