Question

（12分）如圖（甲）是游樂場中雙環(huán)過山車的實(shí)物圖片,圖（乙）是過山車的原理圖。在原理圖中半徑分別為R₁=2.0m和R₂=8.0m的兩個光滑圓形軌道被固定在傾角為α=37°斜直軌道面上的Q、Z兩點(diǎn)處（Q、Z是圓軌道的接口，也是軌道間的切點(diǎn)）, 圓形軌道與斜直軌道之間圓滑連接，且在同一豎直面內(nèi)。PQ之距L₁ =6m, QZ之距L₂ =18m，兩圓形軌道的最高點(diǎn)A、B均與P點(diǎn)平齊�，F(xiàn)使一輛較小的過山車(視作質(zhì)點(diǎn))從P點(diǎn)以一定初速度沿斜面向下運(yùn)動。已知斜軌道面與小車間的動摩擦因數(shù)為μ=1/24 , g=10m/s²,sin37⁰ =0.6 , cos37⁰ =0.8。

（1）若車恰好能通過第一個圓形軌道的最高點(diǎn)A處,則其在P點(diǎn)的初速度應(yīng)為多大?

（2）若車在P處的初速度變?yōu)?0m/s,則小車經(jīng)過第二個軌道的最低點(diǎn)D處時對軌道的壓力是重力的幾倍？計(jì)算說明車有無可能出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象?

 

Answer 1

（1）2√6 m/s

（2）6.05mg，車不會脫軌

解析:（1）mg=mV_A²/R₁ ①----------------------------------------------------------2分

    mV_A²/2 - mV₀²/2= -μmgcos37⁰ L₁  ②--------------------------------------2分

    V₀=2√6 m/s -----------------------------------------------------------1分

（2）mV_D²/2 - mV₀²/2= 2mgR₂ -μmgcos37⁰(L₁+L₂)  ③--------------------------------2分

    F-mg=mV_D²/R₂ ④------------------------------------------------------------2分

    F = 6.05mg----------------------------------------------------------------1分

因100m/s>2√6 m/s，故車不會在第一個圓軌道脫軌。---------------------------------1分

判車能否到達(dá)最高點(diǎn)B處：假定車恰能到達(dá)B處，所需的初速度為V₀^/，有：

mg=mV_B²/R₂ ⑥ ；mV_B²/2 - mV₀^/2/2 = -μmgcos37⁰(L₁+L₂)⑦   得V₀^/ =4√6 m/s ，V₀>V₀^/  ----1分

綜合分析，車不會脫軌。（其它方法，正確的給同樣的分）