Question

【題目】某物理課外興趣小組設(shè)計(jì)了如圖所示裝置，AB段為一豎直細(xì)圓管，BPC是一個(gè)半徑R=0.4m的半圓軌道，C端的下方有一質(zhì)量M=2kg的小車(chē)，DEF為半徑r=0.2m的半圓軌道，E為軌道最低點(diǎn)，左側(cè)緊靠一固定障礙物。在直管的下方固定一鎖定的處于壓縮狀態(tài)的輕質(zhì)彈簧，彈簧上端放置一質(zhì)量為m=1kg的小球（小球直徑略小于圓管的直徑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R、r，）。小球到B端的距離為，C、D間豎直距離為。某時(shí)刻，解除彈簧的鎖定，小球恰好能通過(guò)BPC的最高點(diǎn)P，從C端射出后恰好從D端沿切線進(jìn)入半圓軌道DEF，并能從F端飛出。若各個(gè)接觸面都光滑，重力加速度取g=10m/s2，則：

（1）彈簧被釋放前具有的彈性勢(shì)能EP大小是多少；

（2）小球從F點(diǎn)飛出后能上升的最大高度是多少？

（3）小球下落返回到E點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力大小是多少？

Answer 1

【答案】（1）18J（2）1m（3）190N

【解析】

（1）由A到P的過(guò)程中，小球機(jī)械能守恒，可得

在P點(diǎn)，有牛頓第二定律可得

解得

，

（2）P到E的過(guò)程中，小球機(jī)械能守恒，由機(jī)械能守恒定律可得

計(jì)算得出

小球由E上升到最高點(diǎn)過(guò)程中，小球與車(chē)組成的系統(tǒng)在水平方向動(dòng)量守恒，系統(tǒng)機(jī)械能守恒，以球的初速度方向?yàn)檎�方向，由�?dòng)量守恒定律可得

由機(jī)械能守恒定律可得

代入數(shù)據(jù)解得

（3）小球從第一次經(jīng)過(guò)E點(diǎn)到再次返回E點(diǎn)的過(guò)程中，小球與小車(chē)組成的系統(tǒng)在水平方向動(dòng)量守恒，系統(tǒng)機(jī)械能守恒，以小球的初速度方向?yàn)檎�方向，由�?dòng)量守恒定律可得

由機(jī)械能守恒定律可得

計(jì)算得出，小球的速度大小為

方向水平向左

小車(chē)的速度大小

方向水平向右

小球與小車(chē)運(yùn)動(dòng)方向相反，所以二者的相對(duì)速度為

則小球受到的支持力為

根據(jù)牛頓第三定律可知，小球?qū)�軌道的壓力�?/span>190N