Question

如图所示，在距水平地面高为0.4m处，水平固定一根长直光滑杆，杆上P处固定一定滑轮，滑轮可绕水平轴无摩擦转动，在P点的右边，杆上套一质量m=3kg的滑块A．半径R=0.3m的光滑半圆形轨道竖直地固定在地面上，其圆心O在P点的正下方，在轨道上套有一质量m=3kg的小球B．用一条不可伸长的柔软细绳，通过定滑轮将两小球连接起来．杆和半圆形轨道在同一竖直面内，滑块和小球均可看作质点，且不计滑轮大小的影响．现给滑块A施加一个水平向右、大小为60N的恒力F，则：
（1）求把小球B从地面拉到半圆形轨道顶点C的过程中力F做的功．
（2）求小球B运动到C处时所受的向心力的大小．
（3）问小球B被拉到离地多高时滑块A与小球B的速度大小相等？

Answer 1

（1）

对于F的做功过程，由几何知识有
 

.

PB

=

. PO 2+R2

=

0.42+0.32

=0.5m
 

.

PC

=

.

PO

-R=0.4-0.3=0.1m
则力F做的功W=F?(

.

PB

-

.

PC

)
所以，W=60×（0.5-0.1）=24J．
（2）由于B球到达C处时，已无沿绳的分速度，所以此时滑块A的速度为零，
考察两球及绳子组成的系统的能量变化过程，由功能关系，得
   W=

1

2

mv2+mgR
代入已知量，得 24=

1

2

×3×v2+3×10×0.3
解得v=

10

m/s
因为向心力公式为F=m

v2

R

所以，代入已知量，得F=3×

10 2

0.3

=100N
（3）当绳与轨道相切时两球速度相等，
由相似三角形知识，得

. PO

R

=

R

h

代入已知量，得

0.4

0.3

=

0.3

h

所以，h=

9

40

=0.225m
答：
（1）把小球B从地面拉到半圆形轨道顶点C的过程中力F做的功为24J．
（2）小球B运动到C处时所受的向心力的大小是100N．
（3）小球B被拉到离地0.225m高时滑块A与小球B的速度大小相等．