Question

3．如圖所示，用內(nèi)壁光滑的薄壁細圓管彎成的由半圓形ABC（圓半徑比細管的內(nèi)徑大得多）和直線CD組成的軌道固定在水平桌面上，已知ABC部分的半徑R=1.0m，CD段長L=1.5m．彈射裝置將一個質(zhì)量為0.8kg的小球（可視為質(zhì)點）以某一水平初速度從A點彈入軌道，小球從D點離開軌道隨即水平拋出后恰落入水平面上的小孔P內(nèi)，已知小球剛落進小孔P時，重力的功率為32W，小球從A運動到P的整個過程經(jīng)歷的時間為1.328s，不計空氣阻力，g取10m/s²，π取值3.14．求：
（1）D與P間的水平間距；
（2）半圓形彎管 ABC對小球作用力的大小．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)瞬時功率的表達式求出小球在到達P時豎直方向的分速度，結(jié)合自由落體運動求出D到P的時間；根據(jù)勻速直線運動與勻速圓周運動的路程與時間的關(guān)系，以及運動的總時間求出速度，最后求出D到P的水平距離；
（2）半圓形彎管 ABC對小球作用力與重力的合力提供向心力，結(jié)合牛頓第二定律即可求出．

解答 解：（1）設小球進入P時，豎直方向的分速度為v_y，則：
${v}_{y}=\frac{P}{mg}=\frac{32}{0.8×10}=4$m/s
設小球從D到P的時間為t₃，則：
${t}_{3}=\frac{{v}_{y}}{g}=\frac{4}{10}=0.4$s
小球從A到C的時間：${t}_{1}=\frac{πR}{{v}_{0}}$
從C到D的時間：${t}_{2}=\frac{L}{{v}_{0}}$
又：t₁+t₂+t₃=1.328s
聯(lián)立得：v₀=5m/s
DP之間的水平距離：x=v₀t₃=5×0.4=2m
（2）半圓形彎管 ABC對小球作用力與重力的合力提供向心力，由牛頓第二定律得：
$\sqrt{{F}^{2}-m{g}^{2}}=m\frac{{v}_{0}^{2}}{R}$
所以：F=$\sqrt{（mg）^{2}+（\frac{m{v}^{2}}{R}）^{2}}$=$\sqrt{（0.8×10）^{2}+（\frac{0.8×{5}^{2}}{1.0}）^{2}}=\sqrt{464}≈21.5$N
答：（1）D與P間的水平間距是0.2m；
（2）半圓形彎管 ABC對小球作用力的大小是21.5N．

點評 本題是勻速圓周運動、勻速直線運動和平拋運動的組合，記住勻速圓周運動的角速度、加速度等等公式，就可以輕松解答．