高中 | 牛顿第三定律 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.5 牛顿第三定律

牛顿第三定律

如图所示,$ABC$是半径为$R$的光滑圆弧形轮滑赛道,$A$点与圆心$O$等高,$B$为最低点(位于水平地面上),圆弧$BC$所对的圆心角为$60^\circ$。轮滑运动员从$A$点以一定的初速度沿圆弧面滑下,从$C$点滑出后,运动员上升到的最高点与$O$点在同一水平面上,此后运动员恰好落到平台上的$D$点,$D$点距水平地面的高为$\dfrac{7}{8}R$。已知运动员和轮滑鞋的总质量为$m$,重力加速度大小为$g$,运动员和轮滑鞋整体视为质点,不计空气阻力。求:

运动员从$C$点滑出时的速度大小;

[["

$\\dfrac{2}{3}\\sqrt{3gR}$

"]]

设运动员从$C$点滑出的速度大小为$v_{C}$,运动员从$C$点滑出后,竖直上升的高度$h=R\cos 60^\circ $

竖直方向分运动$(v_{C}\sin 60^\circ )^{2}=2gh$

解得$v_{C}=\dfrac{2}{3}\sqrt{3gR}$

运动员和轮滑鞋一起在$B$点对轨道的压力;

[["

$\\dfrac{10}{3}mg$,方向竖直向下

"]]

设运动员到$B$点时速度大小为$vB$,从$B$$C$,根据机械能守恒$- mg(R-R\cos 60{^\circ})=\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

$B$点,根据牛顿第二定律有$F-mg=m\dfrac{v_{B}^{2}}{R}$

解得$F=\dfrac{10}{3}mg$

根据牛顿第三定律,运动员和轮滑鞋一起在$B$点对轨道的压力大小$F'=F=\dfrac{10}{3}mg$

方向竖直向下

平台$D$点离圆弧轨道$C$点的水平距离。

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$\\dfrac{\\sqrt{3}}{2}R$

"]]

运动员从$C$点滑出后,上升的过程有$v_{C}\sin 60^\circ =gt_{1}$

设下降的时间为$t_{2}$,则$\dfrac{1}{8}R=\dfrac{1}{2}gt_{2}^{2}$

$D$点与$C$点的水平距离$s=v_{C}\cos 60{^\circ}(t_{1}+t_{2})=\dfrac{\sqrt{3}}{2}R$

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