解题思路:(1)小球恰好能通过圆弧轨道最高点D,说明此时恰好是物体的重力作为向心力,由向心力的公式可以求得在D点的速度大小,从A到D的过程中,物体的机械能守恒,从而可以求得小球释放时离最低点的高度.
(2)在C点时,对物体受力分析,重力和支持力的合力作为向心力,由向心力的公式可以求得小球受得支持力的大小,再由牛顿第三定律可以知道对轨道压力的大小.
(3)离开D点小球做平抛运动,根据水平方向的匀速直线运动,竖直方向上的自由落体运动可以求得小球运动的时间.
(1)在D点时,设小球的速度为vD,
mg=m
V2D
R
∴vD=2m/s
由A运动到D点,由机械能守恒可得
mg(h-2R)=[1/2]mvD2
∴h=1m
所以小球最初自由释放位置A离最低点C的高度h是1m.
(2)由A运动到C点,由机械能守恒可得
mgh=[1/2]mvC2
在C点,由牛顿第二定律和向心力公式可得
FN-mg=m
V2c
R
∴FN=12N
由牛顿第三定律可知,小球运动到C点时对轨道的压力N的大小是12N.
(3)设撞到斜面上E点离B点的距离为x,飞行时间为t,由平抛运动规律可得
水平方向 Rsin53°+xcos53°=vDt
竖直方向 R+Rcos53°-xsin53°=[1/2]gt2
由上面两式解得 t=[4/15]s≈0.27s.
所以小球从离开D点至第一次落回到斜面上运动的时间是0.27s.
点评:
本题考点: 机械能守恒定律;平抛运动;向心力.
考点点评: 小球的运动过程可以分为三部分,第一段是匀加速直线运动,第二段的机械能守恒,第三段是平抛运动,分析清楚各部分的运动特点,采用相应的规律求解即可.