Question

過山車質(zhì)量均勻分布，從高為h的平臺(tái)上無動(dòng)力沖下傾斜軌道并進(jìn)入水平軌道，然后進(jìn)入豎直圓形軌道，如圖所示，已知過山車的質(zhì)量為M，長(zhǎng)為L(zhǎng)，每節(jié)車廂長(zhǎng)為a，豎直圓形軌道半徑為R，L＞2πR，且R＞＞a，可以認(rèn)為在圓形軌道最高點(diǎn)的車廂受到前后車廂的拉力沿水平方向，為了不出現(xiàn)脫軌的危險(xiǎn)，h至少為多少？（用R、L表示，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)時(shí)各節(jié)車廂速度大小相等，且忽略一切摩擦力及空氣阻力）

Answer 1

分析：根據(jù)過山車能通過圓形軌道最高點(diǎn)時(shí)，恰好由重力提供向心力，由牛頓第二定律得出在最高點(diǎn)的速度值，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程機(jī)械能守恒求解．

解答：解：取過山車為研究對(duì)象，過山車從平臺(tái)上滑下到車廂占滿豎直圓形軌道過程中，由于只有重力做功，故機(jī)械能守恒，豎直圓形軌道上的過山車可以把這部分的重心看作在軌道的圓心上，所以有：Mgh=

M

L

?2πR?gR+

1

2

Mv2 ①
在豎直方向受到重力和軌道對(duì)它向下的壓力，受力分析如圖所示，設(shè)一節(jié)車廂質(zhì)量為m，則有：mg+N=m

v2

R

 ②
為了不出現(xiàn)脫軌的危險(xiǎn)，N≥0     ③
聯(lián)立解得　h≥

2πR2

L

+

R

2

答：為了不出現(xiàn)脫軌的危險(xiǎn)，h至少

2πR2

L

+

R

2

．

點(diǎn)評(píng)：本題考查機(jī)械能守恒及豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，選擇合適的過程，并注意豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件即可求解．