(1)设小物块滑到最低点B的速度为v B,受到球壳的支持力为N B,则在小物块从C至B的过程中只有重力做功,根据动能定理有:
mgr=
1
2 m
v 2B -0
可得: v B =
2gr
小物块在B点所受合力提供其圆周运动向心力,根据牛顿第二定律有:
N B -mg=m
v 2B
r
得: N B =mg+m
v 2B
r = mg+m
2gr
r =3mg =33×10×0.1N=3N
根据牛顿第三定律可知,小物块在B点对半球壳的压力为3N;
(2)小物块从C点水平滑出做平抛运动,其恰好落在B点,则可知小物块在平抛过程中:
水平位移x=r=v ct…①
竖直位移y=r=
1
2 g t 2 …②
由①和②可得: v C =
r
t =
r
2r
g =
gr
2 =
10×0.8
2 m/s=2m/s
小物块在从D到C的过程中只有滑动摩擦力做功,根据动能定理有:
-μmgs=
1
2 m
v 2C -
1
2 m
v 2D
解得: v D =
v 2C +2μgs =
2 2 +2×0.2×1.25 m/s=3m/s
(3)若物块撞击球壳BC段,速度方向斜向左下方,则不可能垂直撞击半球壳,若小球落在AB上的E点,OE与竖直方向的夹角为θ,E点时速度与竖直方向夹角为α,则小球从C到E做平抛运动有:
竖直方向位移:y=rcosθ=
1
2 g t 2 ,
所以其运动时间为:t=
2rcosθ
g
在E点竖直分速度:v y=gt=
2grcosθ
小物块在水平方向的位移为:x=r+rsinθ=v Ct= v C
2rcosθ
g
在E点水平分速度: v c =
r+rsinθ
2rcosθ
g
所以在E点小物块速度方向与竖直方向的夹角的正切值:
tanα=
v x
v y =
r+rsinθ
2rcosθ
g
2grcosθ =
r+rsinθ
2rcosθ =
1+sinθ
2cosθ
因为: tanα=
1+sinθ
2cosθ >tanθ
所以小球不可能垂直撞击球壳.
答:(1)若物块运动到C点时速度为零,恰好沿球壳滑下,物块滑到最低点B时对球壳的压力大小为3N;
(2)若物块运动到C点水平飞出,恰好落在球壳的最低点B,物块在D点时的初速度大小为3m/s;
(3)小球不可能垂直撞击球壳.