(2013?河南模擬)如圖所示,用細(xì)圓管組成的光滑軌道AB部分水平,BC部分是處于豎直平面內(nèi)半徑為R的半圓,圓管截面半徑r<R (計算時可忽略不計).有一質(zhì)量為m,半徑比r略小的光滑小球以水平初速度v0=2
gR
從A處射入圓管.求
(1)小球運動到C點時的動能;
(2)小球在B點時所受圓軌道的支持力NB
(3)小球運動到離水平軌道的高度為
1
2
R
時速度的大小和方向.
分析:(1)對于小球,從A到C過程,由機械能守恒可求得運動到C點時的動能;
(2)小球在C點,由重力和管子的作用力的合力提供向心力,根據(jù)牛頓第二定律求解圓軌道的支持力NB;
(3)從A到離水平軌道的高度為
1
2
R
時,根據(jù)機械能定律求解速度的大小和方向.
解答:解:(1)對于小球,從A到C過程,由機械能守恒可得:
1
2
m
v
2
0
=mg2R+EKC  ①
 由題意,v0=2
gR

解得,EKC=0  ②
(2)小球在C點受重力mg和細(xì)管豎直向上的作用力N,根據(jù)牛頓第二定律,
得:NB-mg=
m
v
2
0
R
  ③
由②、③解得:NB=5mg
(3)設(shè)所求速度為vD,由機械能守恒可得:
1
2
m
v
2
0
=mg
1
2
R+
1
2
m
v
2
D

解得,vD=
3gR
,方向沿圓弧切線向上,與水平成60°.
答:
(1)小球運動到C點時的動能為0;
(2)小球在B點時所受圓軌道的支持力NB為5mg.
(3)小球運動到離水平軌道的高度為
1
2
R
時速度的大小為
3gR
,方向沿圓弧切線向上,與水平成60°.
點評:本題是圓周運動動力學(xué)與機械能守恒定律的綜合應(yīng)用,它們之間的橋梁是速度.
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