(2009?煙臺二模)如圖所示,豎直放置的光滑半圓形軌道與光滑水平面AB相切于B點(diǎn),半圓形軌道的最高點(diǎn)為C.輕彈簧一端固定在豎直擋板上,另一端有一質(zhì)量為0.1kg的小球(小球與彈簧不相連).用力將小球向左推,小球?qū)椈蓧嚎s一定量時(shí)用細(xì)繩固定。藭r(shí)彈簧的彈性勢能為4.05J.燒斷細(xì)繩,彈簧將小球彈出.取g=10m/s2,求
(1)欲使小球能通過最高點(diǎn)C,則半圈形軌道的半徑最大為多少?
(2)欲使小球通過最高點(diǎn)C后落到水平面上的水平距離最大,則半圓形軌道的半徑為多大?落點(diǎn)至B點(diǎn)的最大距離為多少?
分析:(1)小球從彈簧釋放到運(yùn)動到最高點(diǎn)的過程,可分兩個(gè)過程:彈簧釋放過程、小球離開彈簧到運(yùn)動到最高點(diǎn)的過程.彈簧釋放過程,小球與彈簧組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,即可求出小球獲得的初速度.B到C的過程,小球的機(jī)械能守恒.在C點(diǎn),由重力和軌道的彈力的合力提供向心力,根據(jù)機(jī)械能守恒和牛頓第二定律結(jié)合求解;
(2)小球離開C點(diǎn)后做平拋運(yùn)動,根據(jù)平拋運(yùn)動的規(guī)律和機(jī)械能守恒結(jié)合得到小球平拋水平距離與軌道半徑的關(guān)系,運(yùn)用數(shù)學(xué)知識求極值.
解答:解:(1)彈簧釋放過程,由EP=
1
2
m
v
2
1
得 v1=
2EP
m
=9m/s
B到C的運(yùn)動過程中,由機(jī)械能守恒得
1
2
m
v
2
1
=mg(2r)+
1
2
m
v
2
2

在C點(diǎn)有  mg+N=m
v
2
2
r

由N≥0
r≤
81
50
m…

rm=
81
50
=1.62m…

(2)小球做平拋運(yùn)動過程,y=
1
2
gt2=2r…
x=v3t
由系統(tǒng)機(jī)械能守恒得  EP=mg(2r)+
1
2
m
v
2
3

由以上得x=
(8.1-4r)4r

根據(jù)數(shù)學(xué)知識得:當(dāng)(8.1-4r)=4r時(shí),x有極值
r=
8.1
8
=1.01m
時(shí)              
得 xm=4r=4.04m
答:
(1)欲使小球能通過最高點(diǎn)C,則半圈形軌道的半徑最大為1.62m.
(2)欲使小球通過最高點(diǎn)C后落到水平面上的水平距離最大,則半圓形軌道的半徑為1.01m,落點(diǎn)至B點(diǎn)的最大距離為4.04m.
點(diǎn)評:本題是機(jī)械能守恒、牛頓第二定律和平拋運(yùn)動的綜合,要掌握力學(xué)基本規(guī)律,同時(shí)要能運(yùn)用數(shù)學(xué)知識求極值.
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