Question

如圖，一光滑水平桌面AB與一半徑為R的光滑半圓形軌道相切于C點，且兩者固定不動．一長L為0.80m的細繩，一端固定于O點，另一端系一個質量m₁為0.2 0kg的球．當球在豎直方向靜止時，球對水平桌面的作用力剛好為零．現將球提起使細繩處于水平位置時無初速釋放．當球m₁擺至最低點時，恰與放在桌面上的質量m₂為0.80kg的小鐵球正碰，碰后m₁小球以2.0m/s的速度彈回，m₂將沿半圓形軌道運動，恰好能通過最高點D．g=10m/s₂，求：
（1）m₁剛擺到最低點時的速度
（2）m₂在圓形軌道最低點C的速度為多大？
（3）光滑圓形軌道半徑R應為多大？

Answer 1

分析：（1）球m₁擺至最低點的過程中，根據機械能守恒定律求出到最低點時的速度．
（2）兩個小球碰撞過程，根據動量守恒列式求碰后m₂的速度．
（2）m₂沿半圓形軌道運動，根據機械能守恒定律列式度．恰好能通過最高點D時，由重力提供向心力，由牛頓第二定律再次列式；最后聯立求解可求出R．

解答：解：（1）設球m₁擺至最低點時速度為v₀，由小球機械能守恒，有：
m₁gL=

1

2

m₁

v

2 0

得：v₀=

2gL

=

2×10×0.8

=4m/s
（2）m₁與m₂碰撞，動量守恒，設m₁、m₂碰后的速度分別為v₁、v₂．
選向右的方向為正方向，則：
 m₁v₀=m₁v₁+m₂v₂
代入數值，有：0.2×4=0.2×（-2）+0.8×v₂
解得：v₂=1.5 m/s                             
（3）m₂在CD軌道上運動時，由機械能守恒有：
 

1

2

m₂

v

2 2

=m₂g（2R）+

1

2

m₂

v

2 D

            ①
由小球恰好通過最高點D點可知，重力提供向心力，即 
  m₂g=m2

v 2 D

R

                          ②
由①②解得：R=

v 2 2

5g

=

1．52

5×10

=0.045m
答：
（1）m₁剛擺到最低點時的速度為4m/s．
（2）m₂在圓形軌道最低點C的速度為1.5m．
（3）光滑圓形軌道半徑R應為0.045m．

點評：本題主要考查了動量守恒、機械能守恒定律、向心力公式的應用，要知道小球恰好通過最高點時，由重力提供向心力．