Question

如圖所示，光滑水平面右端B處連接一個豎直的半徑為R的光滑半圓軌道，在離B距離為x的A點，用水平恒力將質量為m的質點從靜止開始推到B處后撤去恒力，質點沿半圓軌道運動到C處后又正好落回A點：
（1）求推力對小球所做的功．
（2）x取何值時，完成上述運動所做的功最少？最小功為多少．
（3）x取何值時，完成上述運動用力最��？最小力為多少．

Answer 1

【答案】分析：（1）小球在恒定推力作用下，在光滑水平面做勻加速直線，當到達B點撤去恒力，讓其在沿光滑半圓軌道運動到C處后，又正好落回A點．因小球離開C點后做平拋運動，已知高度與水平位移的情況下，可求出小球在C處的速度大小，選取從A到C過程，由動能定理可求出推力對小球所做的功．
（2）力F做功越小，小球到達B點的速度越小，到達最高點C的速度越小，當小球恰好到達C點時，由重力充當向心力，此時C點的速度最小，力F做功最小．先由牛頓第二定律求出小球通過C點的最小速度，根據（1）問的結果求出x，即可得到最小功；
（3）根據功與x的關系式，運用數學知識求解力最小時x的值及最小的力．
解答：解：（1）由題意，質點從半圓弧軌道做平拋運動又回到A點，設質點在C點的速度為v_C，質點從C點運動到A點所用的時間為t，則
在水平方向：x=v_Ct     ①
豎直方向上：2R=gt² ②
解①②有   v_C=  ③
對質點從A到C，由動能定理有
  W_F-mg?2R=m  ④
解得  W_F=     ⑤
（2）要使F力做功最少，確定x的取值，由④式得 W_F=mg?2R+m，則知，只要質點在C點速度最小，則功W_F就最小．
若質點恰好能通過C點，其在C點最小速度為v，
由牛頓第二定律有
  mg=，則  v=  ⑥
由③⑥有=，解得x=2R時，W_F最小，最小的功W_F=mg?2R+m=mgR．                       
（3）由⑤式W_F=mg（），W=Fx
則得  F=mg（）                                                      
因＞0，x＞0，
由極值不等式有
當=時，即x=4R時，+=8，最小的力F=mg．                       
答：（1）推力對小球所做的功是．
（2）x等于2R時，完成上述運動所做的功最少，最小功為mgR．
（3）x取4R時，完成上述運動用力最小，最小力為mg．
點評：本題要挖掘隱含的臨界條件：小球通過C點的最小速度為，由動能定理求解F做功，再運用數學不等式知識求解極值．