高中物理——小球可到达的高度(很少有高中老师会给你讲的拓展)

题目

如图所示,一个小球以速度v'向圆弧轨道移动,轨道半径为R,小球相对于轨道可看做质点质量为m,重力加速度为g,求小球可到达的最高高度。

高中这道题基本就是问到达最高点所需速度,很少有高中老师在这里给大家深入讲解,这里将为大家系统地分析一下小球的几种运动状况。

思考

小球会有几种运动情况?各种情况的运动状态又是如何?这些运动状况的物理量是何种关系?

只要搞清楚这三个问题就能够轻松拿下这道题

解题

小球的运动状况

1、到达最高点(H=2R);

小球能到达B点

2、高度在最高点B和C之间(R<H<2R);

小球在弧BC之间就掉下

3、高度不大于R(H≤R)

小球不超过C点

物理量分析

情况1:小球到达B点,该点做圆周运动,因此过轨道定点B后是平抛运动,小球能够到达最高高度为2R;

受力分析是重力mg和轨道压力的合理提供向心力,在根据能量守恒列出式子,到达2R高时最小速度的要求(这也是老师常讲的内容,本题初速度是个已知量,这里求初速度只是拓展一下)

情况2:当小球在BC之间脱落时,这也是最难的分析,他的运动情况可分解成两段,以小球刚要离开轨道为临界点

受力分析

解题思路:可以看出小球刚离开时轨道(临界点)时是在做圆周运动,在这一点重力沿半径方向上的分力F1提供向心力,可以求出临界点速度。因为知道初始速度又知道临界点速度,根据能量守恒可以算出临界点高度H。得到H后根据几何关系可算出α。得到α后可将临界点速度分解成水平放上的平抛加竖直方向的上抛运动,根据上抛可得出出抛物线上抛距离,求出h,因此小球上升最高高度为H+h

速度分解

情况3:小球不高度不大于R(H≤R)

在小球最终导读不大于R的情况,小球不会离开轨道,待小球速度减为0时,又沿着轨道加速落下。即最高点时动能完全转化为重力势能

在遇到动力学问题比较复杂时,记住物理是来自于生活,经自己的经验先去感觉会是如何的运动,再根据运动的情况找物理关系。在做题过程中记住,绝大多数圆周运动问题就是找向心力!