Question

在竖直平面内有一个光滑的半圆轨道，轨道两端连线即直径在竖直方向，轨道半径为0.4m，一个质量为0.5kg的小球以一定的初速度滚上轨道（g取10m/s²）求：
（1）小球在最高点不脱离轨道的最小速率是多少？
（2）若小球在最高点速率v=4m/s，小球对轨道的压力是多少？
（3）小球以v=4m/s的速率从最高点离开轨道，则小球落地点距最高点的水平距离是多少？

Answer 1

分析：（1）在最高点小球不脱离轨道的条件是重力不大于小球做圆周运动所需要的向心力，由牛顿第二定律列式求解速度；
（2）由牛顿第二定律列式求解轨道对小球的压力，进而求解小球对轨道的压力；
（3）从最高点离开轨道，做平抛运动，由运动分解与合成的知识解决．

解答：解：（1）在最高点小球不脱离轨道的条件是重力不大于小球做圆周运动所需要的向心力，即：
mg≤m

v2

R

解得最小速率为：vmin=

0.4×10

=2m/s
（2）因为v=4m/s＞v_min，所以轨道对小球有一定的压力F，则：
F+mg=m

v2

R

解得：F=0.5×

16

0.4

-5=15N
由牛顿第三定律知，小球对轨道的压力为15N
（3）小球离开轨道后做平抛运动，则：
2R=

1

2

gt2
解得：t=

4R g

=

4×0.4 10

=0.4s
则水平位移为：x=vt=0.4×4=1.6m
答：（1）小球在最高点不脱离轨道的最小速率是2m/s；
（2）若小球在最高点速率v=4m/s，小球对轨道的压力是15N；
（3）小球以v=4m/s的速率从最高点离开轨道，则小球落地点距最高点的水平距离是1.6m．

点评：本题主要考查了向心力公式及平抛运动基本公式的直接应用，难度适中．