过山车是游乐场中常见的设施,如图是一种过山车的简易模型,它由倾斜轨道、水平轨道和在竖直面内的两个圆形轨道组成,B、C分别

过山车是游乐场中常见的设施,如图是一种过山车的简易模型,它由倾斜轨道、水平轨道和在竖直面内的两个圆形轨道组成,B、C分别是两个圆形轨道的最低点,半径R1=2.0m、R2=1.6m.一个质量为m=1.0kg的小物块(视为质点)从倾斜轨道上的A点由静止释放,沿轨道运动.已知A点距地面高度H=6m,倾斜轨道及圆形轨道均光滑,小物块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.2,取g=10m/s2,求:
(1)经过第一个圆形轨道最高点时小物块对轨道的作用力;
(2)如果小物块恰能通过第二个圆形轨道的最高点,B、C间距离L应是多少.
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Rand2004 幼苗

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解题思路:(1)小球以一定速度经过粗糙水平轨道后,再滑上竖直的光滑圆轨道,通过动能定理可求出小球在第一个圆形轨道的最高点的速度,从而根据牛顿第二、定律可算出轨道对小球的作用力.(2)由小球恰能通过第二个圆形轨道,则由牛顿第二定律可求出最高点的速度大小,再由动能定理可求出B、C间距.

(1)设小球经过第一个圆轨道的最高点时的速度为v1,根据动能定理有:
mg(H-2R1)=[1/2]mv12
小球在最高点受到重力mg和轨道对它的作用力F,根据牛顿第二定律:
F+mg=m

v21
R1
由①②得轨道对小球作用力的大小为:F=10N
由牛顿第三定律可得小物体对轨道的作用力大小为10N,方向竖直向上;
(2)设小球在第二个圆轨道的最高点的速度为v2,由题意有:
mg=m

v22
R2
2mg(R1-R2)-μmgL=[1/2m
v22−
1
2m
v20]
由④⑤得 B、C间距为:L=10m
答:(1)小球在经过第一个圆形轨道的最高点时,轨道对小球作用力的大小为10N;
(2)如果小球恰能通过第二个圆形轨道,B、C间距L应是10m.

点评:
本题考点: 动能定理的应用;牛顿第二定律;向心力.

考点点评: (1)小球在运动过程中使用动能定理时要注意,除摩擦阻力做负功外,重力也是做负功.再由牛顿第二定律可求解.(2)从小球刚好能通过第二个圆轨道,这是解题的突破口.同时注意重力做功时高度是半径的2倍.

1年前

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