Question

如圖是為了檢驗某種防護罩承受沖擊能力的裝置，M為半徑為R=1.0m、固定于豎直平面內的光滑圓弧軌道，軌道上端切線水平，N為待檢驗的固定曲面，該曲面在豎直面內的截面為半徑的圓弧，圓弧下端切線水平且圓心恰好位于M軌道的上端點，M的下端相切處置放豎直向上的彈簧槍，可發射速度不同的質量m=0.01kg的小鋼珠，假設某次發射的鋼珠沿軌道恰好能經過M的上端點，水平飛出后落到N的某一點上，取g=10m/s²，求：
（1）發射該鋼珠前，彈簧的彈性勢能E_p多大？
（2）鋼珠落到圓弧N上時的速度大小v_N是多少？（結果保留兩位有效數字）

Answer 1

【答案】分析：（1）在M軌道最高點，重力提供向心力，根據牛頓第二定律列方程求解最高點速度，然后根據機械能守恒定律列式求解；
（2）根據平拋運動的分位移公式和合位移公式求出時間，再根據機械能守恒定律求解末速度．
解答：解（1）設鋼珠在M軌道最高點的速度為v，在最高點，由題意…①
從發射前到最高點，由機械能守恒定律得：=0.15J…②
（2）鋼珠從最高點飛出后，做平拋運動
x=vt…③
…④
由幾何關系：x²+y²=r²…⑤
從飛出M到打在N得圓弧面上，由機械能守恒定律：
…⑥
聯立①、③、④、⑤、⑥解出所求：v_N=4.0m/s
答：（1）發射該鋼珠前，彈簧的彈性勢能E_p為0.15J；
（2）鋼珠落到圓弧N上時的速度大小v_N是4.0m/s．
點評：根據重力恰好提供向心力求解出最高點速度是突破口，然后根據機械能守恒定律和平拋運動的分位移公式列式是關鍵．