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題目:
一個質量為$m$的小球,從半徑為$R$的光滑圓弧軌道上由靜止滑下,滑到半徑為$r$的半圓形槽中并從半圓形槽的邊緣水平飛出。已知小球在半圓形槽中運動時,對槽邊緣的壓力為重力的$3$倍,求小球離開半圓形槽后能飛出的最大高度。
答案:
小球在半圓形槽中運動時,由牛頓第二定律可得:
$F - mg = m\frac{v^{2}}{r}$
小球離開半圓形槽后做平拋運動,由機械能守恒定律可得:
$mgh = \frac{1}{2}mv^{2}$
解得:
$h = \frac{3r}{2}$
解釋:
這道題目考察了高中物理中的圓周運動和機械能守恒定律。首先,小球在半圓形槽中運動時,由于受到槽邊緣的支持力作用,產生了向心加速度,使得小球的速度增加。然后,小球離開半圓形槽后做平拋運動,其運動軌跡為一條直線,其運動過程中只有重力做功,因此機械能守恒。通過求解這兩個方程,可以得到小球離開半圓形槽后能飛出的最大高度。
這道題目需要理解圓周運動和機械能守恒定律的基本概念和公式,同時也需要有一定的數學計算能力。