Question

如圖所示裝置是檢驗?zāi)撤N防護罩承受沖擊力的裝置示意圖，M是半徑為R=1.0m的固定于豎直平面內(nèi)的光滑圓弧軌道，軌道上端的切線沿水平方向．N為待檢驗的固定曲面防護罩，該曲面在豎直面內(nèi)的截面為半徑m的圓弧，圓弧下端切線水平且圓心恰好位于M軌道的上端點．M下端的相切處放置一豎直向上的彈簧槍，可發(fā)射速度不同的質(zhì)量m=0.01kg的同樣規(guī)格的小鋼珠，取g=10m/s²．求：
（1）假設(shè)某次發(fā)射的鋼珠沿軌道恰好能經(jīng)過M的上端點，試求鋼球發(fā)射前，彈簧的彈性勢能E_P應(yīng)多大？
（2）在滿足（1）的情況下，試估算鋼球從離開彈簧至打到N板所用的時間？并討論隨發(fā)射初的彈性勢能的進一步增大，鋼球從離開彈簧至打到N板所用的時間將發(fā)生怎樣的變化（需說明理由）？

Answer 1

【答案】分析：（1）正確分析運動過程，弄清運動形式，選用正確規(guī)律是解本題的關(guān)鍵，在本題中鋼珠開始通過彈簧將彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為其動能，從而使其沿圓弧做圓周運動，此時注意在最高點完成圓周運動的條件的應(yīng)用；然后從開始到最高點的過程中利用動能定理即可求解．
（2）小球從最高點離開軌道后開始做平拋運動，利用平拋運動的規(guī)律即可求解．
解答：解：（1）鋼球達M的最高點時的速度
解得：
由機械能守恒：
（2）鋼球發(fā)射時的初速度
鋼球通過M段弧的時間可以用平均速率近似求解
離開M軌道后做平拋運動
解得：
運動的總時間t=t₁+t₂=0.61s
討論：當(dāng)發(fā)射初的彈性勢能進一步增大，鋼球從離開彈簧至打到N板所用的時間將減�。�原因是：
在M段由機械能守恒，同樣高度的速率變大，每小段位移的用時將減小，即t₁變�。�
在平拋段由于始終滿足，
當(dāng)v增大，r不變，t₂必須減小，
由此可見總時間t=t₁+t₂也一定減�。�
答：（1）彈性勢能E_P⁼0.15J
（2）鋼球從離開彈簧至打到N板所用的時間t=0.61s；
隨發(fā)射初的彈性勢能的進一步增大，鋼球從離開彈簧至打到N板所用的時間將減�。�
點評：本題將圓周運動和平拋有機的結(jié)合在一起，考察了學(xué)生對兩種運動形式的理解應(yīng)用以及動能定理的應(yīng)用，綜合性較強，解決這類復(fù)雜問題時，要善于根據(jù)所學(xué)知識把復(fù)雜問題分解為簡單問題，然后根據(jù)所學(xué)物理規(guī)律一步步求解．