过山车是游乐场中常见的设施.下图是一种过山车的简易模型,它由水平轨道和在竖直平面内的三个圆形轨道组成,B、C、D分别是三个圆形轨道的最低点,B、C间距与C、D间距相等,半

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 动能定理/2022-11-05 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

过山车是游乐场中常见的设施.下图是一种过山车的简易模型,它由水平轨道和在竖直平面内的三个圆形轨道组成,B、C、D分别是三个圆形轨道的最低点,B、C间距与C、D间距相等,半径R1=2.0m、R2=1.4m.一个质量为m=1.0kg的小球(视为质点),从轨道的左侧A点以v0=12.0m/s的初速度沿轨道向右运动,A、B间距L1=6.0m.小球与水平轨道间的动摩擦因数为0.2,圆形轨道是光滑的.假设水平轨道足够长,圆形轨道间不相互重叠.重力加速度取g=10m/s2,计算结果保留小数点后一位数字.试求
(1)小球在经过第一个圆形轨道的最高点时,轨道对小球作用力的大小;
(2)如果小球恰能通过第二圆形轨道,B、C间距L应是多少;
(3)在满足(2)的条件下,如果要使小球不能脱离轨道,在第三个圆形轨道的设计中,半径R3应满足的条件;小球最终停留点与起点A的距离.

魔方格

◎ 答案

(1)设小球经过第一个圆轨道的最高点时的速度为v1根据动能定理得:
-μmgL1-2mgR1=
1
2
mv12-
1
2
mv02
小球在最高点受到重力mg和轨道对它的作用力F,根据牛顿第二定律有:
             F+mg=m
v21
R1
        ②
由 ①、②得               F=10.0 N  ③
(2)设小球在第二个圆轨道的最高点的速度为v2,由小球恰能通过第二圆形轨道有:
                 mg=m
v22
R2
     ④
-μmg(L1+L)-2mgR2=
1
2
mv22-
1
2
mv02  ⑤
由④、⑤得             L=12.5m    ⑥
(3)要保证小球不脱离轨道,可分两种情况进行讨论:
 I.轨道半径较小时,小球恰能通过第三个圆轨道,设在最高点的速度为v3,应满足
               mg=m
v23
R3
  ⑦
-μmg(L1+2L)-2mgR3=
1
2
mv32-
1
2
mv02 ⑧
由 ⑥、⑦、⑧得            R3=0.4m
II.轨道半径较大时,小球上升的最大高度为R3,根据动能定理
-μmg(L1+2L)-2mgR3=0-
1
2
mv02             
解得                   R3=1.0m
为了保证圆轨道不重叠,R3最大值应满足
                (R2+R32=L2+(R3-R22
解得               R3=27.9m
综合I、II,要使小球不脱离轨道,则第三个圆轨道的半径须满足下面的条件
  0<R3≤0.4m或  1.0m≤R3≤27.9m
当0<R3≤0.4m时,小球最终焦停留点与起始点A的距离为L′,则
-μmgL′=0-
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