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題目:
【題目描述】
一個質量為m的小球,從高度為h處自由下落,進入一個寬度足夠大的光滑圓弧軌道,軌道的最低點與小球初始下落點的水平距離為L。已知小球在軌道上運動時,與軌道接觸部分的摩擦力為球重的k倍,求小球在軌道上運動時的最大速度和在軌道上運動的時間。
【解題思路】
1. 小球在圓弧軌道上運動時,受到重力、支持力和摩擦力三個力的作用。根據牛頓第二定律和運動學公式,可以建立這三個力的關系式。
2. 根據能量守恒定律,小球在運動過程中,重力勢能和動能相互轉化,當摩擦力做功等于小球克服摩擦力做功時,小球的速度達到最大。
【答案】
最大速度:v = sqrt(2gh + kmg/m) = sqrt(2gh + kL/s)
時間:t = sqrt(2h/g) - sqrt(2h - L/g) = sqrt(2h/g) - sqrt(L - 2h/g)
【解析】
本題主要考查了牛頓第二定律、運動學公式和能量守恒定律的應用。解題的關鍵是要理解圓弧軌道的運動規律,并能夠根據題目條件建立物理模型。
首先,根據牛頓第二定律,可以列出重力、支持力和摩擦力的關系式:
mg - kLmg = ma
其中,a為加速度。根據運動學公式,可以列出小球在圓弧軌道上運動的位移和時間的關系式:
h = 1/2gt^2
其中,t為時間。同時,根據能量守恒定律,可以列出小球在運動過程中能量的關系式:
mgh = 1/2mv^2 + fs + fs'
其中,fs為摩擦力做的功,fs'為摩擦力克服重力做功的功。將上述關系式代入并化簡可得:
v^2 = 2gh + kL + fs/m
由于小球在運動過程中速度達到最大時,摩擦力做的功等于小球克服摩擦力做功,即fs = fs',因此有:
fs = mgh - fs' = mgh - kLmg = mg(h - L/g)
將上述關系式代入可得:v^2 = 2gh + kL - mg(h - L/g) = 2gh + kL + kLmg/m = sqrt(2gh + kL/s)
由于小球從高度為h處自由下落,因此時間t滿足:h = 1/2gt^2,即t^2 = 2h/g。將t代入可得時間t的表達式:t = sqrt(2h/g) - sqrt(L - 2h/g)。
綜上所述,小球在圓弧軌道上運動時的最大速度為sqrt(2gh + kL/s),時間為sqrt(2h/g) - sqrt(L - 2h/g)。需要注意的是,由于題目中給出的摩擦力為k倍的重力作用,因此需要將摩擦力做功的結果代入能量守恒定律的表達式中。