Question

如圖甲，ABC為豎直放置的半徑為0.1m的半圓形軌道，在軌道的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)A、C各安裝了一個(gè)壓力傳感器，可測(cè)定小球在軌道內(nèi)側(cè)，通過(guò)這兩點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力F_A和F_C．質(zhì)量為0.1kg的小球，以不同的初速度v沖入ABC軌道．（g取10m/s²）
（1）若F_C和F_A的關(guān)系圖線如圖乙所示，求：當(dāng)F_A=13N時(shí)小球滑經(jīng)A點(diǎn)時(shí)的速度v_A，以及小球由A滑至C的過(guò)程中損失的機(jī)械能；
（2）若軌道ABC光滑，小球均能通過(guò)C點(diǎn)．試推導(dǎo)F_C隨F_A變化的關(guān)系式，并在圖丙中畫(huà)出其圖線．

Answer 1

（1）由牛頓第三定律可知，小球在A、C兩點(diǎn)所受軌道的彈力大小N_A=F_A，N_C=F_C
在A點(diǎn)，由牛頓第二定律得：NA-mg=

m v 2A

R

…①
解得vA=2

3

m/s…②
在C點(diǎn)，由牛頓第二定律得：NC+mg=

m v 2C

R

…③
對(duì)A至C的過(guò)程，由動(dòng)能定理得：Wf-mg?2R=

1

2

m

v

2C

-

1

2

m

v

2A

…④
①②③聯(lián)立得Wf=

1

2

m

v

2C

-

1

2

m

v

2A

+2mgR=

1

2

(2mg-FA+FC)R+2mgR…⑤
解得W_f=-0.2J…⑥
故損失的機(jī)械能為0.2J
（2）因軌道光滑，小球由A至C的過(guò)程中機(jī)械能守恒，則有 

1

2

m

v

2A

=

1

2

m

v

2C

+mg?2R…⑦
聯(lián)立①③⑥得N_A-N_C=6mg
即F_C=F_A-6N…⑧
圖線如右圖所示…⑨
答：（1）當(dāng)F_A=13N時(shí)小球滑經(jīng)A點(diǎn)時(shí)的速度v_A為2

3

m/s，小球由A滑至C的過(guò)程中損失的機(jī)械能是0.2J；
（2）F_C隨F_A變化的關(guān)系式為F_C=F_A-6N，在圖丙中畫(huà)出其圖線如圖所示．