Question

如图所示，AB是固定在竖直平面内半径为R的光滑半圆弧，CD是与AB在同一竖直平面内半径为1.5R的四分之一光滑圆弧轨道，其底端D切线水平，且与AB弧圆心O₁等高现将质量为m的小球（可视为质点）从圆弧CD上与圆心O₂等高的C处由静止开始释放，小球落进半圆弧AB并与之内壁碰撞，碰撞点标为P点，碰撞过程中不损失机械能，结果小球刚好能沿原路线回到D点并能沿DC弧返回C．重力加速度g取10m/s²．试求：
（1）小球刚滑到D点时，对D端得压力大小；
（2）O₁P的连线与O₁B的夹角α的大小；
（3）CD弧底端D距AB弧圆心O₁的距离．

Answer

（1）由机械能守恒定律和牛顿定律求解．
（2）球欲回到D点，与弧面的碰撞必须是垂直弧面的碰撞，根据平抛运动的规律求解．
（3）根据几何关系求解D距AB弧圆心O1的距离
【解析】
（1）小球到D点速度为v，由机械能守恒定律有：
=1.5mgR，
    解得v=
    由牛顿定律有：F-mg=，
    解得：F=3mg，
所以F′=F=3mg，方向向下；
   （2）小球欲回到D点，与弧面的碰撞必须是垂直弧面的碰撞，即速度方向沿弧AB的半径方向．设碰撞点和O1的连线与水平夹角α，D点和碰撞点连线与水平夹角为β，则有
x=vt，y=
vy=gt，vx=v
tanα=
y=Rsinα，
解得：sinα=
α=30°
   （3）D到O1的距离为：DO1=X-Rcosα=R；
答：（1）小球刚滑到D点时，对D端得压力大小是3mg；
（2）O1P的连线与O1B的夹角α的大小是30°；
（3）CD弧底端D距AB弧圆心O1的距离是R．