一质量为m=2kg的小球从光滑斜面上高h=3.5m处由静止滑下,斜面底端紧接着一个半径为R=1m的光滑圆环,如图示,试求

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  • 解题思路:动能定理结合牛顿第二定律解出小球运动到最高点时受到的弹力,小球运动到圆环的最高点应当具有最小速度,即仅当重力提供向心力时,满足要求.

    (1)设小球滑至环顶时速度为v1,所受环的压力为N,选顶点为零势点,小球运动过程中机械能守恒,

    机械能守恒定律及圆周运动的知识

    得:mg(h−2R)=

    1

    2mv2

    mg+FN=m

    v2

    R,

    由以上方程联立得:FN=40N

    (2)当圆环对小球的压力为零时,仅由重力充当向心力,对应的速度v2为越过圆环最高点的最小速度,对应的高度h1,为最低高度,

    由机械能守恒定律及圆周运动知识

    得:mg(h1−2R)=

    1

    2m

    v22

    mg=m

    v22

    R;

    以上两式联立得:mg(h1−2R)=

    1

    2mgR

    h1=

    1

    2R+2R=

    5

    2R=2.5m

    (3)由于h'<h1,故球在还没有到达顶前即与环脱离,设脱离时圆环的位置半径与竖直方向的夹角为θ,选轨道最低点为零势点,

    由机械能守恒定律及圆周运动知识:mgh′=

    1

    2mv2+mg(R+Rcos)

    mgcosθ=m

    v2

    R

    两式联立得:cosθ=

    2(h′−R)

    3R

    即cosθ=[2/3];

    所以θ=arccos[2/3]处小球与圆环脱离.

    答:(1)小球滑至圆环顶点时对环的压力为40N;

    (2)小球至少应从2.5m高处由静止滑下才能越过圆环最高点;

    (3)小球从h1=2m处由静止滑下时将在θ=arccos[2/3]处脱离圆环.

    点评:

    本题考点: 机械能守恒定律;牛顿第二定律;向心力.

    考点点评: 解决这类题目的关键点是找准运动过程中的临界点,比如,小球运动到最高点具有最小速度.