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題目:
質量為m的小球從高為H處自由下落,進入半徑為R的圓形軌道,軌道固定在水平面上,且與小球在最高點時相切。已知小球在軌道上運動時受到的摩擦阻力為重力的0.05倍,求:
1. 小球在最高點時對軌道的壓力大小。
2. 小球在圓形軌道上運動的總時間。
答案:
1. 設小球在最高點時對軌道的壓力為F,則有:
mg + F = m(v^2/R)
又因為小球做圓周運動,所以有:
F - mg = m(v^2/R)
聯立以上兩式可得:
F = 0.5mg
所以小球在最高點時對軌道的壓力大小為0.5mg。
2. 小球從高為H處自由下落,根據自由落體運動規律可得:
H = 0.5gt^2
小球在圓形軌道上運動時受到的摩擦阻力為重力的0.05倍,所以小球的運動可以分解為兩個過程:在軌道上做圓周運動和在水平面上減速運動。根據能量守恒定律,這兩個過程能量變化相等,所以有:
mgH = (mg + 0.05mg)(R + h) + fs
其中h為小球在軌道上運動的高度,f為小球在水平面上受到的摩擦力,s為小球在水平面上運動的距離。聯立以上各式可得:
h = 0.75R
所以小球在圓形軌道上運動的總時間為:
t = sqrt(2(H - h)/g) + sqrt(2h/a)
其中a為小球在水平面上運動的加速度,根據牛頓第二定律可得:a = (mg + 0.05mg) - mg = 0.05g。代入數據可得:t = sqrt(2(H - 0.75R)/g) + sqrt(20.75R/0.05g) = sqrt(H/g) + sqrt(3R/g)。
所以小球在圓形軌道上運動的總時間為sqrt(H/g) + sqrt(3R/g)。