Question

如图为某种鱼饵自动投放器中的投饵管装置示意图，其下半部AB是一长为2R的竖直细管，上半部BC是半径为R的四分之一圆弧弯管，管口沿水平方向，AB管内有一原长为R、下端固定的轻质弹簧．投饵时，每次总将弹簧长度压缩到0．5R后锁定，在弹簧上端放置一粒鱼饵，解除锁定，弹簧可将鱼饵弹射出去．设质量为m的鱼饵到达管口C时，对管壁的作用力恰好为零．不计鱼饵在运动过程中的机械能损失，且锁定和解除锁定时，均不改变弹簧的弹性势能．已知重力加速度为g．求：

（1）质量为m的鱼饵到达管口C时的速度大小v₁；

（2）弹簧压缩到0．5R时的弹性势能E_p；

（3）已知地面与水面相距1．5R，若使该投饵管绕AB管的中轴线OO′在90°角的范围内来回缓慢转动，每次弹射时只放置一粒鱼饵，鱼饵的质量在到m之间变化，且均能落到水面．持续投放足够长时间后，鱼饵能够落到水面的最大面积S是多少？

Answer

（1）（2）（3）

【解析】试题分析：（1）质量为m的鱼饵到达管口C时做圆周运动的向心力，完全由重力提供，则

可以解得：

（2）从弹簧释放到最高点C的过程中，弹簧的弹性势能全部转化为鱼饵的机械能，由系统的机械能守恒定律有:

即：

得：

故弹簧弹性势能为Ep=3mgR

（3）不考虑因缓慢转动装置对鱼饵速度大小的影响，质量为m的鱼饵离开管口C后做平抛运动，设经过t时间落到水面上，得：

离OO'的水平距离为x1，鱼饵的质量为m时：

鱼饵的质量为时，由动能定理：

整理得：

同理：

鱼饵能够落到水面的最大面积s是：

考点：考查机械能守恒定律；平抛运动；向心力．

【名师点睛】本题考查了圆周运动最高点的动力学方程和平抛运动规律，转轴转过90°鱼饵在水平面上形成圆周是解决问题的关键，这是一道比较困难的好题．