Question

如圖所示，半徑為R的光滑半圓環(huán)軌道豎直固定在一水平光滑的桌面上，在桌面上輕質(zhì)彈簧被a、b兩個(gè)小球擠壓（小球與彈簧不拴接），處于靜止?fàn)顟B(tài)．同時(shí)釋放兩個(gè)小球，小球a、b與彈簧在桌面上分離后，a球從B點(diǎn)滑上光滑半圓環(huán)軌道最高點(diǎn)A時(shí)速度為vA=

2gR

．已知小球a質(zhì)量為m，小球b質(zhì)量為2m，重力加速度為g．求：
（1）小球a在圓環(huán)軌道最高點(diǎn)對(duì)軌道的壓力；
（2）釋放后小球b離開(kāi)彈簧時(shí)的速度v_b的大小；
（3）釋放小球前彈簧具有的彈性勢(shì)能．

Answer 1

分析：（1）小球a在圓環(huán)軌道最高點(diǎn)受到重力和軌道的彈力，由兩個(gè)力的合力提供向心力，由牛頓第二定律求解軌道對(duì)小球的彈力，由牛頓第三定律得到小球?qū)�軌道的壓力�?BR>（2）小球a從B運(yùn)動(dòng)到A的過(guò)程中，只有重力做功，機(jī)械能守恒，求出小球a與彈簧分離時(shí)的速度大小v_a，根據(jù)動(dòng)量守恒定律求解球b離開(kāi)彈簧時(shí)的速度v_b的大小．
（3）釋放小球過(guò)程，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為兩球的動(dòng)能，由機(jī)械能守恒定律求解釋放小球前彈簧具有的彈性勢(shì)能．

解答：解：（1）設(shè)a球通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)受軌道的彈力為N，由牛頓第二定律得
  mg+N=

m v 2 A

R

  ①
將數(shù)據(jù)代入①式解得：N=mg ②
由牛頓第三定律，a球?qū)�軌道的壓力為mg，方向豎直向上．
（2）設(shè)小球a與彈簧分離時(shí)的速度大小為v_a，取桌面為零勢(shì)面，小球a從B運(yùn)動(dòng)到A的過(guò)程中，由機(jī)械能守恒定律得：
 

1

2

m

v

2 a

=

1

2

m

v

2 A

+mg2R③
由③式解得  va=

6gR

④
小球a、b從釋放到與彈簧分離過(guò)程中，總動(dòng)量守恒mv_a=2mv_b⑤
由⑤式解得：vb=

6gR

2

⑥
（3）彈簧的彈性勢(shì)能為：E_P=

1

2

m

v

2 a

+

1

2

mb

v

2 b

  ⑦
由⑦式解得：E_P=4.5mgR⑧
答：（1）小球a在圓環(huán)軌道最高點(diǎn)對(duì)軌道的壓力大小為mg，方向豎直向上；
（2）釋放后小球b離開(kāi)彈簧時(shí)的速度v_b的大小為

6gR

；
（3）釋放小球前彈簧具有的彈性勢(shì)能是4.5mgR．

點(diǎn)評(píng)：本題物理過(guò)程很清晰，對(duì)于釋放彈簧的過(guò)程，動(dòng)量守恒，機(jī)械能也守恒，小球a沿軌道向上滑行過(guò)程，機(jī)械能守恒．把握解題是關(guān)鍵．