如图所示,水平地面上固定一高
的水平台面,台面上竖直固定倾角为
的直轨道
、水平直轨道
、四分之一圆周细圆管道
和半圆形轨道
, 它们平滑连接且处处光滑,其中管道
的半径
、圆心在
点,轨道
的半径
、圆心在
点,
、
、
和
点均处在同一水平线上。一小球从轨道
上距水平直轨道
高为
(未知)的
点由静止滚下,小球经管道
、轨道
从
点竖直向下运动,与正下方固定在直杆上的三棱柱
碰撞,碰后速度方向水平向右,大小与碰前相等,最终落在地面上的
点,取重力加速度大小
, 不计空气阻力。
(1)若处小球的初始高度 , 求小球到达点时的速度大小;
(2)若小球能完成整个运动过程,求的最小值;
(3)若小球恰好能过最高点 , 且三棱柱的位置上下可调,求落地点与点的水平距离的最大值。