Question

如圖所示，AB為光滑的四分之一圓軌道，BC為光滑的半圓軌道，它們都放置在豎直平面內且相切于B點，A、C兩點距地面的高度均為H．現(xiàn)有一個質量為m的小球，以豎直向下的初速度V₀從A點開始沿軌道運動，不計空氣阻力．試求：
（1）欲使小球能從C點飛出，小球的初速度至少多大？
（2）若小球以上述初速度從A點開始運動，則在小球通過B點的速度大小．
（3）若小球以上述初速度從A點開始運動，則當它從C點飛出后，落到AB軌道時的動能多大？

Answer 1

分析：（1）小球從A到C的過程中，只有重力做功，機械能守恒，由于A與C點高度相同，則小球到達C點時的速度等于小球在A點時的速度，小球在圓軌道上做圓周運動，小球在C點做圓周運動所需向心力僅由重力提供時，小球從C點飛出時的速度最小；由牛頓第二定律可以求出小球的最小速度．
（2）從A點到B，只有重力做功，由動能定理可以求出小球到達B點的速度．
（3）小球從C點飛出后做平拋運動，由平拋運動規(guī)律可以求出小球的水平位移與豎直位移，由動能定理可以求出小球落到軌道上的動能．

解答：解：（1）在C點，軌道半徑為：R=

H

2

，
由牛頓第二定律得：mg=m

v 2 0

R

，
解得：v₀=

gH 2

；
（2）從A到B，由動能定理得：
mgH=

1

2

mv_B²-

1

2

mv₀²，
解得：v_B=

5gH 2

；
（3）小球離開C點后做平拋運動，
x=v₀t，y=

1

2

gt²，R=

x2+y2

，
由動能定理得：mgy=

1

2

mv²-

1

2

mv₀²，
解得：v=

(2 2 -1)gH 2

，
小球動能為：E_K=

1

2

mv²=

(2 2 -1)mgH

4

．
答：（1）欲使小球能從C點飛出，小球的初速度至少為

gH 2

；
（2）若小球以上述初速度從A點開始運動，則在小球通過B點的速度為

5gH 2

；
（3）若小球以上述初速度從A點開始運動，則當它從C點飛出后，落到AB軌道時的動能為

(2 2 -1)mgH

4

．

點評：本題是一道力學綜合題，分析清楚小球的運動過程，一個個牛頓定律、動能定理、平拋運動知識即可正確解題，解題時要注意數(shù)學知識的應用．