Question

如圖所示，用內(nèi)壁光滑的薄壁細(xì)管彎成的“S”形軌道固定于豎直平面內(nèi)，其彎曲部分是由兩個(gè)半徑均為R=0.2m 的半圓平滑對(duì)接而成（圓的半徑遠(yuǎn)大于細(xì)管內(nèi)徑）．軌道底端A與水平地面相切，頂端與一個(gè)長為l=0.9m的水平軌道相切B點(diǎn)．一傾角為θ=37°的傾斜軌道固定于右側(cè)地面上，其頂點(diǎn)D與水平軌道的高度差為h=0.45m，并與其它兩個(gè)軌道處于同一豎直平面內(nèi)．一質(zhì)量為m=0.1kg 的小物體（可視為質(zhì)點(diǎn)）在A點(diǎn)被彈射入“S”形軌道內(nèi)，沿軌道ABC運(yùn)動(dòng)，并恰好從D點(diǎn)無碰撞地落到傾斜軌道上．小物體與BC段間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5． （不計(jì)空氣阻力，g取10m/s²．sin37°=0.6，cos37°=0.8）
（1）小物體從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)所用的時(shí)間；
（2）小物體運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)對(duì)“S”形軌道的作用力大小和方向；
（3）小物體在A點(diǎn)獲得的動(dòng)能．

Answer 1

分析：（1）小球從C到D做平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)下降的高度和速度方向得到平拋的初速度和時(shí)間，再對(duì)從B到C過程運(yùn)用牛頓第二定律、速度位移公式和速度時(shí)間公式列式聯(lián)立求解；
（2）先假設(shè)小球在B受到的彈力向下，根據(jù)重力和彈力的合力提供向心力列式求出彈力，如果是負(fù)的，表示與假設(shè)的方向相反；
（3）小球從A到B，只有重力做功，機(jī)械能守恒，根據(jù)守恒定律列式求解．

解答：解：（1）小物體從C點(diǎn)到D點(diǎn)做平拋運(yùn)動(dòng)，有
vy=

2gh

=3m/s
tanθ=

vy

vx

解得v_x=4m/s
小物體做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為
t1=

vy

g

=0.3s
小物體從B到C做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律得
μmg=ma
有運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得

v

2 C

-

v

2 B

=-2aL
代入數(shù)據(jù)解得v_B=5m/s
小物體做勻減速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為
t2=-

vC-vB

a

=0.2s
小物體從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)的總時(shí)間為
t=t₁+t₂=0.5s
即小物體從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)所用的時(shí)間為0.5s．
（2）小物體運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，設(shè)其受到的作用力方向向下，由牛頓第二定律得
F_N+mg=m

v 2 B

R

解得F_N=11.5N
由牛頓第三定律得
F_N′=F_N=11.5N
方向豎直向上
即小物體運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)對(duì)“S”形軌道具有豎直向上的11.5N的作用力．
（3）小物體從A運(yùn)動(dòng)到B的過程中，由機(jī)械能守恒定律，得到
E_KA=4mgR+

1

2

m

v

2 B

解得
E_KA=2.05J
即小物體在A點(diǎn)獲得的動(dòng)能為2.05J．

點(diǎn)評(píng)：本題關(guān)鍵是根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)求出初速度，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律求出B點(diǎn)速度，最后根據(jù)機(jī)械能守恒定律求出A點(diǎn)速度．