如图所示,将一质量m=0.1kg的小球自水平平台顶端O点水平抛出,小球恰好与斜面无碰撞的落到平台右侧一倾角为α=53°的

如图所示,将一质量m=0.1kg的小球自水平平台顶端O点水平抛出,小球恰好与斜面无碰撞的落到平台右侧一倾角为α=53°的光滑斜面顶端A并沿斜面下滑,斜面底端B与光滑水平轨道平滑连接,小球以不变的速率过B点后进入BC部分,再进入竖直圆轨道内侧运动.已知斜面顶端与平台的高度差h=3.2m,斜面顶端高H=15m,竖直圆轨道半径R=5m. g取10m/s 2 .试求:
(1)小球水平抛出的初速度v 0 及斜面顶端与平台边缘的水平距离x;
(2)小球离开平台后到达斜面底端的速度大小;
(3)若竖直圆轨道光滑,求小球运动到圆轨道最高点D时对轨道的压力.
(4)若竖直圆轨道粗糙,小球运动到轨道最高点与轨道恰无作用力,求小球从圆轨道最低点运动到最高点的过程中克服摩擦力所做的功.
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coapt 幼苗

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(1)研究小球作平抛运动,小球落至A点时,由平抛运动速度分解图可得:
水平速度:v 0 =v y cotα
合速度与竖直分速度的关系:v A =
v y
sinα
小球竖直方向做自由落体运动:v y 2 =2gh,h=
1
2 g t 2
小球水平方向做匀速直线运动:x=v 0 t
由上式解得:v 0 =6m/sx=4.8mv A =10m/s
(2)由动能定理可得小球到达斜面底端时的速度v B
mgH=
1
2 m v B 2 -
1
2 m v A 2 v B =20m/s
(3)竖直圆轨道光滑,研究小球从C点到D点,设小球到达D点时的速度为v D
由动能定理可得-2mgR=
1
2 m v D 2 -
1
2 m v C 2
在D点由牛顿第二定律可得:N+mg= m
v D 2
R
由上面两式可得:N=3N
由牛顿第三定律可得:小球在D点对轨道的压力N′=3N,方向竖直向上.
(4)若竖直圆轨道粗糙,小球在最高点与环作用力恰为0时,速度为
v ′D
则 mg=m
v D ′ 2
R v D ′=
gR
从最低点最高点: -mg2R+ W f =
1
2 m v D ′ 2 -
1
2 m v C 2
W f =-7.5J克服摩擦力所做的功7.5J
答:(1)小球水平抛出的初速度为6m/s,斜面顶端与平台边缘的水平距离为4.8m.
(2)小球离开平台后到达斜面底端的速度大小20m/s.
(3)若竖直圆轨道光滑,小球在D点对轨道的压力N′=3N,方向竖直向上.
(4)若竖直圆轨道粗糙,小球运动到轨道最高点与轨道恰无作用力,小球克服摩擦力所做的功7.5J.

1年前

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