Question

如圖所示是游樂場中過山車軌道的模型圖．圖中半徑分別為R₁=2.0m和R₂=8.0m的兩個光滑圓形軌道，固定在傾角為θ=37°斜軌道面上的A、B兩點(diǎn)，且與斜軌道之間圓滑連接，兩圓形軌道的最高點(diǎn)C、D均與P點(diǎn)平齊．現(xiàn)使小車（視為質(zhì)點(diǎn)）從P點(diǎn)以一定的
初速度沿斜面向下運(yùn)動．已知斜軌道面與小車間的動摩擦因數(shù)為μ=

1

6

，g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8．問：
（1）若小車恰好能通過第一個圓形軌道的最高點(diǎn)C，則它在P點(diǎn)的初速度應(yīng)為多大？（2）若小車在P點(diǎn)的初速度為15m/s，則小車能否安全通過兩個圓形軌道？

Answer 1

分析：（1）先根據(jù)重力恰好提供向心力求出C點(diǎn)的速度，然后對從P到C過程運(yùn)用動能定理列式求解；
（2）先求出小車恰好過D的臨界速度，然后對從P到D過程運(yùn)用動能定理列式求解出能運(yùn)動到D點(diǎn)的最小速度，再與已知速度相比較得出結(jié)論．

解答：解：（1）設(shè)小車經(jīng)過C點(diǎn)時的臨界速度為v₁，則
mg=

m v 2 1

R1

設(shè)P、A兩點(diǎn)間距離為L₁，由幾何關(guān)系可得
L1=

R1(1+cosθ)

sinθ

小車從P運(yùn)動到C，根據(jù)動能定理，有
-μmgL1cosθ=

1

2

m

v

2 1

-

1

2

m

v

2 0

解得 v₀=6m/s
即若小車恰好能通過第一個圓形軌道的最高點(diǎn)C，則它在P點(diǎn)的初速度應(yīng)為6m/s．
（2）設(shè)P、B兩點(diǎn)間距離為L₂，由幾何關(guān)系可得
L2=

R2(1+cosθ)

sinθ

設(shè)小車能安全通過兩個圓形軌道在D點(diǎn)的臨界速度為v₂，則
mg=

m v 2 2

R2

設(shè)P點(diǎn)的初速度為v'₀小車從P運(yùn)動到D，根據(jù)動能定理，有
-μmgL2cosθ=

1

2

m

v

2 2

-

1

2

mv

′

2 0

解得
v'₀=12m/s，可知v'₀=12m/s＜15m/s
故小車能安全通過兩個圓形軌道．

點(diǎn)評：本題關(guān)鍵是先求出小車經(jīng)過最高點(diǎn)的臨界速度，然后對從開始到最高點(diǎn)過程運(yùn)用動能定理列式求解．