题目内容
如图6所示,光滑斜面倾角为θ,在水平地面上加速运动。斜面上用一条与斜面平行的细绳系一质量为m的小球,当斜面加速度为a时(a<ctgθ),小球能够保持相对斜面静止。试求此时绳子的张力T 。
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解说:当力的个数较多,不能直接用平行四边形寻求合力时,宜用正交分解处理受力,在对应牛顿第二定律的“独立作用性”列方程。正交坐标的选择,视解题方便程度而定。
解法一:先介绍一般的思路。沿加速度a方向建x轴,与a垂直的方向上建y轴,如图7所示(N为斜面支持力)。于是可得两方程ΣFx = ma,即Tx-Nx=ma
ΣFy=0, 即Ty+Ny=mg 代入方位角θ,以上两式成为
T cosθ-N sinθ = ma(1) T sinθ + Ncosθ = mg(2)
这是一个关于T和N的方程组,解(1)(2)两式得:T = mgsinθ + ma cosθ
解法二:下面尝试一下能否独立地解张力T 。将正交分解的坐标选择为:x——斜面方向,y——和斜面垂直的方向。这时,在分解受力时,只分解重力G就行了,但值得注意,加速度a不在任何一个坐标轴上,是需要分解的。矢量分解后,如图8所示。
根据独立作用性原理,ΣFx = max即:T - Gx = max
即:T-mgsinθ=macosθ
显然,独立解T值是成功的。结果与解法一相同。
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答案:mgsinθ+macosθ
思考:当a>ctgθ时,张力T的结果会变化吗?(从支持力的结果N = mgcosθ-ma sinθ看小球脱离斜面的条件,求脱离斜面后,θ条件已没有意义。答:T = m
。)
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