Question

如圖，一光滑水平桌面AB與一半徑為R的光滑半圓形軌道相切于C點，且兩者固定不動．一長L為0.8m的細繩，一端固定于O點，另一端系一個質量m₁為0.2kg的球．當球在豎直方向靜止時，球對水平桌面的作用力剛好為零．現將球提起使細繩處于水平位置時無初速釋放．當球m₁擺至最低點時，恰與放在桌面上的質量m₂為0.8kg的小鐵球正碰，碰后m₁小球以2m/s的速度彈回，m₂將沿半圓形軌道運動，恰好能通過最高點D．g=10m/s²，求：
（1）m₂在圓形軌道最低點C的速度為多大？
（2）光滑圓形軌道半徑R應為多大？

Answer 1

（1）設球m₁擺至最低點時速度為v₀，由小球（包括地球）機械能守恒：
   m1gL=

1

2

m1

v

20

得 v0=

2gL

=

2×10×0.8

=4m/s
m₁與m₂碰撞，動量守恒，設m₁、m₂碰后的速度分別為v₁、v₂．
選向右的方向為正方向，則：
 m₁v₀=m₁v₁+m₂v₂
代入數值解得：v₂=1.5 m/s                             
（2）m₂在CD軌道上運動時，由機械能守恒有：
 

1

2

m2

v

22

=m2g(2R)+

1

2

m2

v

2D

  ①
由小球恰好通過最高點D點可知，重力提供向心力，即 
  m2g=

m2 v 2D

R

   ②
由①②解得：R=

v 22

5g

=

1．52

5×10

=0.045m
答：
（1）m₂在圓形軌道最低點C的速度為1.5m．
（2）光滑圓形軌道半徑R應為0.045m．