在電視中我們?匆娔g(shù)師使圓筒在空中無任何支撐條件下運動,簡稱“魔環(huán)運動”,其原理如圖1所示.即水平地面上豎直放置一個質(zhì)量為m、半徑為R的光滑金屬圓筒,在圓筒最底點P安裝一個儲備一定能量的彈簧裝置,將一質(zhì)量為2m的小球A(可視為質(zhì)點)置于P點,打開彈簧裝置將彈簧儲備的能量全部轉(zhuǎn)移給A,A就會從圓筒的P點運動到最高點Q,又從Q點運動P點,在這一過程中,圓筒將離開地面時而向上或向下運動,這就是“魔環(huán)運動”.設(shè)筒的內(nèi)徑、彈簧裝置的大小、圓筒自身的運動可以忽略,完成下列問題:
(1)要使A要到達Q點,求A在P點的最小速度.
(2)當(dāng)A運動到Q點時,要使圓筒離開地面,求A在Q點的最小速度.
(3)當(dāng)A運動到Q點時,要使圓筒具有大小為g,方向豎直向上的加速,則彈射裝置應(yīng)該儲備的能量?
(4)以A在最高點對圓筒的作用力F
N為縱坐標(規(guī)定向上為正),彈簧裝置儲備的能量E為橫坐標,在圖2中作出F
N-E圖象.