Question

做特技表演的小汽車速度足夠大時，會在駛過拱形橋的頂端時直接水平飛出．為了探討這個問題，小明等同學(xué)做了如下研究：如圖所示，在水平地面上固定放置球心為O、半徑為R的光滑半球，在半球頂端B的上方，固定連接一個傾角θ=30°的光滑斜面軌道，斜面頂端A離B的高度為

R

2

，斜面的末端通過技術(shù)處理后與半球頂端B水平相接．小明由A點靜止滑下并落到地面上（有保護墊）．甲、乙兩位同學(xué)對小明的運動有不同的看法，甲同學(xué)認(rèn)為小明將沿半球表面做一段圓周運動后落至地面，乙同學(xué)則認(rèn)為小明將從B點開始做平拋運動落至地面．（為簡化問題可將小明視為質(zhì)點，忽略連接處的能量損失）
（1）請你求出小明滑到B點時受到球面的支持力并判斷上述哪位同學(xué)的觀點正確；
（2）若軌道的動摩擦因素μ=

3

2

，小明在A點以v₀速度下滑時恰好能夠從半球頂端B水平飛出落在水平地面上的C點（圖中未標(biāo)出），求速度v₀的大小及O、C間的距離x_OC．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)機械能守恒條件的判定與定律內(nèi)容，結(jié)合牛頓第二定律，即可求解；
（2）根據(jù)小明恰好能從B點開始做平拋運動落地，可求出B點速度，再由動能定理與平拋運動處理規(guī)律，即可求解．

解答：解：（1）設(shè)小明滑到B點時速度為v_B，根據(jù)機械能守恒定律得：mg

R

2

=

1

2

mvB2
解得：vB=

gR

在B點，由牛頓第二定律：mg-N=m

v 2 B

R

解得：N=0
可見乙同學(xué)的觀點正確．
（2）由（1）可知小明恰好能從B點開始做平拋運動落地，
須有：vB=

gR

則小明在斜面軌道下滑的過程中，
由動能定理：mg

R

2

-μmgcosθ

R 2

sinθ

=

1

2

m

v

2 B

-

1

2

m

v

2 0

將v_B代入數(shù)據(jù)解得：v0=

6gR

2

又平拋時間為：t=

2R g

∴OC之間的距離為：xOC=vt=

gR

×

2R g

=

2

R
答：（1）小明滑到B點時受到球面的支持力為零，乙同學(xué)的觀點正確；
（2）則速度v₀的大小及O、C間的距離x_OC=

2

R．

點評：考查機械能守恒條件的判定與內(nèi)容的應(yīng)用，掌握動能定理的運用，注意功的正負(fù)值，同時掌握牛頓第二定律與運動學(xué)公式的綜合運用，及理解平拋運動的處理方法．