解题思路:小球ab碰撞过程中同时满足动量守恒和动能守恒,由此列式计算可以求出a、b两球碰撞后的速度;小球B在光滑圆轨道中恰能通过最高点C,说明此时重力提供向心力,由此可以求出在最高点C小球的速度vC,因为在圆轨道上运动,根据机械能守恒条件可以算出小球在最低点B时对速度,根据牛顿第二定律,在最低点小球受到的合外力提供向心力,可以求出b通过圆轨道最低点B时对轨道的压力大小.小球碰撞后到光滑圆轨道最低点B的过程中,运用动能量定理可以求出克服摩擦力所做的功W.
(1)设小球a、b碰后的速度分别为v1和v2,由动量守恒和碰撞前后系统动能相等:
mav0=mav1+mbv2①
1
2mav02=
1
2mav12+
1
2mbv22 ②
解①和②得:v1=-2m/s,v2=4m/s
∵v1=-2m/s说明碰后小球a反方向向左运动,小球b以v2=4m/s的初速度沿曲面向下进入圆轨道,在圆轨道最高点由重力提供向心力得:
mbg=mb
v高2
R
得小球在最高点C的速度v高=
gR
小球b从最低点到最高点的运动过程中,由机械能守恒得:
1
2mbv低2=
1
2mbv高2+2mbgR
解得:v低=
5gR
在最低点时,小球受到地面的支持力和重力的合力提供向心力:
FN−mbg=mb
v低2
R得:
FN=mb
v低2
R+mbg=2×
(
5gR)2
R+2×10N=120N
(2)设在曲面上,摩擦力对小球b做功W,小球b从碰后到最低点的运动过程中,由动能定理得:
mbgH+W=
1
2mbv低2−
1
2mbv22
由(1)分析得v底=
5gR=
5×10×0.4=
20m/s,v2=4m/s,代入解得:
W=-16J
即:小球克服摩擦力做功16J.
答:(1)小球b通过圆轨道最低点B时对轨道的压力大小为120N;
(2)小球b在粗糙曲面上运动过程中克服摩擦力做的功为16J.
点评:
本题考点: 动量守恒定律;牛顿第二定律;向心力;动能定理的应用.
考点点评: 小球碰撞中过程中动量守恒,在竖直平面内做圆周运动的最高点和最低点,合外力提供向心力.