如图所示为某种游戏装置,在同一竖直平面内有大圆圆弧轨道、小圆轨道和缓冲装置固定在水平面上,两个圆轨道均与水平面平滑连接且前后错开,缓冲装置中的轻质弹簧右端固定于竖直墙面上,弹簧原长时左、右两端点对应于平面上的点E、F,小球压缩弹簧的距离不超过2r时,缓冲装置可正常工作。游戏时把一质量为m的小球(视为质点)从同一竖直平面某点以初速度v0水平抛出,恰好从B点沿切线方向进入半径为2r的大圆圆弧轨道,视为游戏成功。某次游戏中,小球以v0=gr从A点水平抛出,游戏成功,并经最低点C进入半径为r小圆轨道,离开圆轨道后沿水平面继续向前运动并压缩弹簧,直至小球速度减为0时弹簧的压缩量x=r。已知BO两点等高,圆轨道最低点至竖直墙面间总长度CF=7r,弹簧原长l=3r,轨道的CE段粗糙,其余均光滑,小球与轨道CE段之间的动摩擦因数μ=0.5,弹簧的弹性势能Ep与形变量的平方成正比。
求:
(1)小球经过圆轨道最高点D时对轨道的压力;
(2)弹簧的压缩量x=r时弹簧的弹性势能;
(3)若小球的抛出点和初速度均可调节,要保证游戏成功、缓冲装置正常工作且小球不脱离轨道,求抛出点离水平面的最大高度。

gr
【答案】(1)小球经过圆轨道最高点D时对轨道的压力大小是mg,方向竖直向上;
(2)弹簧的压缩量x=r时弹簧的弹性势能是mgr;
(3)抛出点离水平面的最大高度是4r。
(2)弹簧的压缩量x=r时弹簧的弹性势能是mgr;
(3)抛出点离水平面的最大高度是4r。
【解答】
【点评】
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