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竖直圆轨道 R = 1 米:恰好通过最高点

小球在内壁光滑的竖直圆轨道上运动,轨道半径 R = 1 米(g 取 10 米/秒²)。小球恰好能通过最高点,求它在最高点的速度和在最低点的速度。

直接答案
最高点速度 3.1623 米/秒,最低点速度 ≈ 7.0711 米/秒

分步解答

  1. mg = mv顶²/r → v顶 = √(gr) = √(10×1) = 3.1623
    恰好通过最高点:重力刚好提供全部向心力(绳/轨道弹力为 0)
  2. ½mv底² = ½mv顶² + mg·2r → v底 = √(5gr) = 7.0711
    最低点到最高点高度差为 2r,机械能守恒

为什么这样做

恰好通过最高点时轨道对球的弹力为零,只有重力提供向心力,mg = mv顶²/R,所以 v顶 = √(gR)。从最低点到最高点上升的高度是直径 2R,由机械能守恒得 v底² = v顶² + 4gR。

常见错误

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