如图所示,O为竖直平面内
圆弧轨道的圆心,B点的切线刚好沿水平方向.一个质量为m的滑块(可视为质点)从A点由静止开始滑下,最终落到地面上的C点.已知A点离地面的高度为h,圆弧轨道的半径为R,重力加速度为g.不计一切摩擦.求:1 4
(1)滑块经B点时的速度大小;
(2)滑块经B点时对轨道的压力;
(3)在保证A点位置不变的情况下,改变圆弧轨道
的半径(总小于h),再让滑块从A点由静止滑下,A点到滑块落地点的水平距离最大是多少?此时圆弧轨道的半径是多大?

(1)滑块从A到B的过程中,由机械能守恒得mgR=
m1 2 v 2B
解得 vB=2gR
(2)滑块经B点时,由向心力公式有N-mg=mv 2B R
解得 N=3mg
由牛顿第三定律知,滑块经B点时对轨道的压力大小为3mg,方向竖直向下.
(3)设轨道半径为r,滑块从B点开始做平抛运动,需时间t落地,则h-r=
gt21 2
平抛的水平距离 xBC=vBt
联立解得A、C两点的水平距离为 xAC=r+xBC=r+2r(h-r)
令r=hsin2θ,则AC两点的水平距离为xAC=h(sin2θ+2sinθcosθ)=h(
+sin2θ)=1-cos2θ 2
(1-cos2θ+2sin2θ)h 2
令tanφ=
,则xAC=1 2
[1+h 2
sin(2θ-φ)],5
显然当θ=
+π 4
时,xAC有最大值为xm=φ 2
h
+15 2
此时 r=hsin2θ=h
=1-cos(
+φ)π 2 2
h=1+sinφ 2
h5+ 5 10
答:(1)滑块经B点时的速度大小为vB=
.2gR
(2)滑块经B点时对轨道的压力为3mg.
(3)A点到滑块落地点的水平距离最大是xm=
h,此时圆弧轨道的半径是r=
+15 2
h.5+ 5 10