Question

如圖所示，半徑為2R的

1

4

圓弧光滑軌道AB和半徑為R的

1

4

圓弧粗糙軌道BC相切于B點，兩軌道置于豎直平面內(nèi)，O、O′分別為兩圓孤的圓心，O、O′、B三點在一條豎直線上，在C點的上方緊靠C點處有一厚度不計的水平旋轉平臺，平臺轉動角速度為，沿平臺的一條直徑上開有兩個小孔P、Q，兩孔離軸心距離相等，旋轉時兩孔均能到達C點正上方，一質量為m的小球自A點由靜止開始下滑，滑過C點后恰能無碰撞的穿過小孔P，后又恰好無碰撞的穿過小孔Q后落入軌道中，不計空氣阻力．求：
（1）小球第一次滑過B點前、后瞬時對軌道的壓力大小；
（2）小球第一次滑過C點時的速度大小；
（3）小球第一次經(jīng)過BC段的過程中克服摩擦力所做的功．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)動能定理求得小球從A點處滑至B點時速度，運用牛頓第二定律求解壓力大小，要注意滑過B點前、后瞬時圓周半徑發(fā)生改變．
（2）由平臺轉動的周期性，求出小球在空中的運動時間，再根據(jù)豎直上拋的對稱性求出滑過C點時的速度大�。�
（3）對于變力做功，我們首選動能定理．

解答：解：（1）小球從A點處滑至B點時速度為v_B，由動能定理得：
mg?2R=

1

2

mv_B²，
小球從A點處滑至B點前瞬時，對軌道的壓力為N₁，由牛頓第二定律得：
N₁-mg=m

v 2 B

2R

小球從A點處滑至B點后瞬時，對軌道的壓力為N₂，由牛頓第二定律得：
N₂-mg=m

v 2 B

R

解得：N₁=3mg，N₂=5mg
（2）小球從C點處滑出后，先做勻減速上升，后自由落體，根據(jù)題意得小球在空中的運動時間
t=

(2n+1)π

ω

  （n=0，1，2，3…）
小球第一次向上滑過C點時的速度v_C=

gt

2

，
v_C=

g(2n+1)π

2ω

，（n=0，1，2，3…）
（3）小球從A至C的過程中，小球克服摩擦力做功為W，由動能定理得：
mgR-W═

1

2

mv_C²
解得：W=mgR-

mg2π2(2n+1)2

8ω2

，（n=0，1，2，3…）
答：（1）小球第一次滑過B點前、后瞬時對軌道的壓力大小分別是3mg，5mg；
（2）小球第一次滑過C點時的速度大小是 

g(2n+1)π

2ω

，（n=0，1，2，3…）；
（3）小球第一次經(jīng)過BC段的過程中克服摩擦力所做的功是mgR-

mg2π2(2n+1)2

8ω2

，（n=0，1，2，3…）．

點評：了解研究對象的運動過程是解決問題的前提，根據(jù)題目已知條件和求解的物理量選擇物理規(guī)律解決問題．
選取研究過程，運用動能定理解題．動能定理的優(yōu)點在于適用任何運動包括曲線運動．
動能定理的應用范圍很廣，可以求速度、力、功等物理量，特別是可以去求變力功．