Question

3．圖為某游樂(lè)場(chǎng)內(nèi)水上滑梯軌道示意圖，整個(gè)軌道在同一豎直平面內(nèi)，表面粗糙的AB段軌道與四分之一光滑圓弧軌道BC在B點(diǎn)水平相切，點(diǎn)A距水面的高度為H，圓弧軌道BC的半徑為R．圓心O恰在水面，一質(zhì)量為m的游客（視為質(zhì)點(diǎn)）可從軌道AB上任意位置滑下，不計(jì)空氣阻力．
（1）若游客從A點(diǎn)由靜止開始滑下，到B點(diǎn)時(shí)沿切線方向滑離軌道落在水面D點(diǎn)，OD=2R，求游客滑到的速度v_B大小及運(yùn)動(dòng)過(guò)程軌道摩擦力對(duì)其所做的功W_f．
（2）若游客從AB段某處滑下，恰好停在B點(diǎn)，又因受到微小擾動(dòng)，繼續(xù)沿圓弧軌道滑到P點(diǎn)后滑離軌道，求P點(diǎn)離水面的高度h．（提示：在圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任一點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)所受的向心力與其速率的關(guān)系為F_向=m$\frac{{v}^{2}}{R}$）

Answer 1

分析 （1）游客從B點(diǎn)開始做平拋運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)分解，即可求出游客到達(dá)B的速度，A到B的過(guò)程中由動(dòng)能定理即可求出運(yùn)動(dòng)過(guò)程軌道摩擦力對(duì)其所做的功W_f．
（2）設(shè)OP與OB最近的夾角是θ，在P點(diǎn)離開軌道時(shí)，軌道對(duì)游客的支持力是0，由重力指向圓心的分力提供向心力，結(jié)合機(jī)械能守恒與向心力的表達(dá)式即可求解．

解答 解：（1）游客從B點(diǎn)開始做平拋運(yùn)動(dòng)，則：
2R=v_Bt
$R=\frac{1}{2}g{t}^{2}$
聯(lián)立得：${v}_{B}=\sqrt{2gR}$
從A到B的過(guò)程中重力與摩擦力做功，由動(dòng)能定理得：$mg（H-R）+{W}_{f}=\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}-0$
得：W_f=mg（2R-H）；
（2）設(shè)OP與OB最近的夾角是θ，在P點(diǎn)重力指向圓心的分力提供向心力：
$mgcosθ=\frac{m{v}_{P}^{2}}{R}$
B到P的過(guò)程中只有重力做功，機(jī)械能守恒，得：$mg（R-Rc0sθ）=\frac{1}{2}m{v}_{P}^{2}-0$
又：$cosθ=\frac{h}{R}$
聯(lián)立相關(guān)公式得：$h=\frac{2}{3}R$
答：（1）游客滑到的速度v_B大小是$\sqrt{2gR}$，運(yùn)動(dòng)過(guò)程軌道摩擦力對(duì)其所做的功是mg（2R-H）．
（2）P點(diǎn)離水面的高度是$\frac{2}{3}R$

點(diǎn)評(píng) 該題中正確判斷出游客在P點(diǎn)離開軌道時(shí)，軌道對(duì)游客的支持力是0，由重力指向圓心的分力提供向心力是解題的關(guān)鍵．