稿件来源:高途
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必修2
第五章 曲线运动
5.6 向心力
向心力
如图所示,一弹射游戏装置由安装在水平台面上的固定弹射器、水平直轨道$AB$,圆心为$O_{1}$的竖直半圆轨道$BCD$、圆心为$O_{2}$的竖直半圆管道$DEF$,水平直轨道$FG$及弹性板等组成,轨道各部分平滑连接。已知滑块(可视为质点)质量$m=0.01\;\rm kg$,轨道$BCD$的半径$R=0.8\;\rm m$,管道$DEF$的半径$r=0.1\;\rm m$,滑块与轨道$FG$间的动摩擦因数$\mu =0.5$,其余各部分轨道均光滑,轨道$FG$的长度$l=2\;\rm m$,弹射器中弹簧的弹性势能最大值$E_{\rm pm}=0.5\;\rm J$,滑块与弹簧作用后,弹簧的弹性势能完全转化为滑块动能,滑块与弹性板作用后以等大速率弹回。
若滑块刚好能过$D$点,求滑块静止释放时弹簧的弹性势能;
$0.2\\;\\rm J$;
"]]设恰好通过轨道$BCD$的最高点$D$时的速度为$v_{D}$,则$mg=m\dfrac{{v_{D}}^{2}}{R}$
得$v_{D}=\sqrt{gR}=2\sqrt{2}\;\rm \text{m}/\text{s}$
由能量守恒$E_{\rm p}=mg \times 2R+\dfrac{1}{2}mv_{D}^{2}$
代入可得$E_{\rm p}=0.2\;\rm J$;
若滑块在运动过程中不脱离轨道,求第$1$次经过管道$DEF$的最高点$F$时,滑块对轨道弹力$F_{N}$的最小值;
$0.3\\;\\rm N$;
"]]要求运动中,滑块不脱离轨道,恰好通过轨道$BCD$的最高点$D$时的速度$v_{D}=2\sqrt{2}\;\rm \text{m}/\text{s}$
滑块从$D$运动到$F$过程,由机械能守恒$\dfrac{1}{2}mv_{D}^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{F}^{2}+2mgr$
在$F$点有$F_{{N}}+mg=m\dfrac{v_{F}^{2}}{r}$
联立解得$F_{N}=0.3\;\rm N$,$v_{F}=2\;\rm m/s$
由牛顿第三定律得滑块对轨道弹力为$0.3\;\rm N$;
若弹簧以最大弹性势能弹出,请判断游戏过程中滑块会脱离轨道吗?若不会,请求出滑块最终静止位置。
不会,最终滑块停在距离$F$点$0.4\\;\\rm m$处。
"]]弹簧以最大弹性势能$E_{\rm pm}=0.5\;\rm J$弹出滑块,设第一次达到$D$处的速度为$v_{D1}$,同理由系统的机械能守恒得$E_{\rm pm}=2mgR+\dfrac{1}{2}m{v_{D1}}^{2}$
代入数据解得$v_{D1}=2\sqrt{17}\;\rm \text{m}/\text{s}$
因$v_{D1}\gt v_{D0}$,故滑块可以第一次经过$D$处。
设返回时第二次达到$D$处的速度为$v_{D2}$,由动能定理得$- \mu mg \times 2l=\dfrac{1}{2}m{v_{D2}}^{2}-\dfrac{1}{2}m{v_{D1}}^{2}$
代入数据解得$v_{D2}=2\sqrt{7}\;\rm \text{m}/\text{s}$
因$v_{D2}\gt v_{D0}$,故滑块可以第二次经过$D$处沿$BCD$轨道返回。
由机械能守恒定律可知,滑块第三次经过$D$的速度大小仍为$v_{D3}=2\sqrt{7}\;\rm \text{m}/\text{s}$
设此后滑块在轨道$FG$上运动的最大路程为$s$,由动能定理得$- \mu mgs-2mgr=0-\dfrac{1}{2}m{v_{D3}}^{2}$
代入数据解得$s=2.4\;\rm m$
因$s\lt 2l=4\;\rm m$
故滑块最终静止在轨道$FG$上,游戏过程中滑块不会脱离轨道;最终位置距离弹性板的距离为$2.4\;\rm m-2\;\rm m=0.4\;\rm m$。
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