Question

如图所示，一根长l=0.8m轻绳一端固定在O点，另一端栓一质量m=0.1kg的小球静止于A点，其右方有底面半径r=0.2m的转筒，转筒顶端与A等高，下部有一小孔，距顶端h=0.8m．现使细绳处于水平线上方30°的位置B点处而伸直，且与转筒的轴线、OA在同一竖直平面内，开始时小孔也在这一竖直平面内．将小球由B点静止释放，当小球经过A点时轻绳突然断掉，同时触动了光电装置，使转筒立刻以某一角速度匀速转动起来，且小球最终正好进入小孔．不计空气阻力，g取l0m/s²．
（1）辨析题：求小球到达A点时的速率？
某同学解法如下：小球从B点运动到A点过程中，只有重力做功，故机械能守恒，则，代入数据，即可求得小球到达A点时的速率．
你认为上述分析是否正确？如果你认为正确，请完成此题；如果你认为不正确，请指出错误，并给出正确的解答．
（2）求转筒轴线距A点的距离L
（3）求转筒转动的角速度ω

Answer 1

【答案】分析：（1）此同学解法不正确．由于轻绳突然断掉时，轻绳对小球做功，小球的机械能有损失，不能从B到A过程，运用机械能守恒列方程，解出小球到达A点时的速率．分两段研究：从B到细绳断掉和细绳断掉到A，分别根据机械能定律列式，求解小球到达A点时的速率．细绳断掉过程，小球沿绳子方向的速度突然减至零．
（2）滑块从A点到进入小孔做平抛运动，由高度h求出时间，由几何关系L-r=v_A?t求得L．
（3）在小球平抛的时间内，圆桶必须恰好转整数转，小球才能钻入小孔，根据此关系列式，求解转筒转动的角速度ω．
解答：解：（1）此同学解法不正确．设细绳到C位置断掉．
从B→C过程：根据机械能守恒得：
  小球在C点切向速度为 v_C切=v_Csin60°
从C到A，只有重力做功，据机械能守恒定律得 
  
解得，
（2）滑块从A点到进入小孔的时间为
  
又由题意得 L-r=v_A?t
得
（3）在小球平抛的时间内，圆桶必须恰好转整数转，小球才能钻入小孔
即ωt=2nπ（n=1，2，3…）
解得，ω=5nπ（rad/s）（n=1，2，3…）   
答：
（1）此同学解法不正确．小球到达A点时的速率为2m/s．
（2）转筒轴线距A点的距离L是1.99m
（3）转筒转动的角速度ω是5nπ（rad/s）（n=1，2，3…）
点评：本题是圆周运动与平抛运动相结合的题目，考查了圆周运动及平抛运动的基本规律，运动过程较为复杂，难度较大．