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如图所示,已知半径分别为R和r(R>r)的甲、乙两个光滑的圆形轨道安置在同一竖直平面上,甲轨道左侧又连接一个光滑的轨道,两圆形轨道之间由一条水平轨道CD相连.一小球自某一高度由静止滑下,先滑上甲轨道,通过动摩擦因数为μ的CD段,又滑上乙轨道,最后离开圆轨道.若小球在两圆轨道的最高点对轨道压力都恰好为零.试求:
(1)分别经过C、D时的速度;
(2)小球释放的高度h;
(3)水平CD段的长度.

解:(1)小球在光滑圆轨道上滑行时,机械能守恒,设小球滑过C点时的速度为vc,通过甲环最高点速度为v′,根据小球对最高点压力为零,有

取轨道最低点为零势能点,由机械守恒定律

由①、②两式消去v′,可得 
        ③
同理可得小球滑过D点时的速度
          ④
所以小球经过C点的速度为 经过D点的速度为
(2)小球从在甲轨道左侧光滑轨道滑至C点时机械能守恒,有
  ⑤
由③、⑤两式联立解得
h=2.5R
因此小球释放的高度为2.5R
(3)设CD段的长度为l,对小球滑过CD段过程应用动能定理
 
由③、④、⑥三式联立解得

则有水平CD段的长度为
分析:小球滚到两圆轨道最高点均仅受重力,运用向心力公式可求出在其位置的速度.因为轨道光滑,则由机械能守恒定律可求出轨道最低点速度,从而也求出释放的高度.由于CD段粗糙,不能运用机械守恒定律,选用动能定理,就可算出长度,
点评:掌握向心力公式外,还熟悉了牛顿第二定律,最后比较了机械能守恒定律与动能定理的优缺点.本题中小球在轨道最高点压力为零是解题的切入点.
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