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题目:一个质量为 m 的小球,在距离地面高度为 H 的位置沿光滑的水平桌面滑下,进入半径为 R 的圆弧轨道,并从轨道的顶端滑入地面的一个竖直的圆环中。已知小球在圆弧轨道的最高点时对轨道的压力为重力的 3 倍,求:
1. 小球在圆弧轨道最高点时受到的支持力大小;
2. 小球在圆弧轨道和竖直圆环中受到的总支持力的大小。
解析:
1. 小球在圆弧轨道最高点时受到的支持力大小为 N = mg + 3mg = 4mg。
根据牛顿第二定律,小球在圆弧轨道最高点时受到的支持力与重力共同提供向心力,即:
N - mg = m(v²/R)
其中 v 是小球在最高点的速度。由于小球在圆弧轨道最高点时对轨道的压力为重力的 3 倍,所以轨道对小球的弹力向上,大小为 3mg。因此,小球受到的支持力大小为 N = 4mg。
2. 小球在圆弧轨道和竖直圆环中受到的总支持力的大小为 N总 = N + mg = 5mg。
小球进入竖直圆环后,受到竖直向下的重力 mg 和竖直向上的支持力 N'的作用。由于小球在圆环中做完整的圆周运动,所以支持力的合力提供向心力,即:
N' - mg = m(ω²r)
其中 r 是圆环的半径,ω 是小球在圆环中运动的角速度。由于小球在圆弧轨道和竖直圆环中受到的总支持力的大小等于支持力 N'和重力 mg 的合力,所以总支持力的大小为 N总 = N + mg = 5mg。
总结:这道题目主要考察了高中物理中的圆周运动和牛顿定律的知识点,通过这道题目可以更好地理解和掌握高考物理知识点。同时,这道题目也强调了对于细节的把握和理解,可以帮助考生过滤掉一些不重要的知识点和细节。