题目内容

13.如图所示,一不可伸长的轻质细绳,绳长为L,一端固定于O点,另一端系一质量为m的小球,小球绕O点在竖直平面内做圆周运动(不计空气阻力).
(1)若小球通过最高点A时的速度为v,求v的最小值和此时绳对小球拉力F的大小;
(2)若小球恰好通过最高点A且悬点距地面的高度h=2L,小球经过B点或D点时绳突然断开,求两种情况下小球从抛出到落地所用时间之差△t;
(3)若小球运动到最低点C或最高点A时,绳突然断开,两种情况下小球从抛出到落地水平位移大小相等,则O点距离地面高度h与绳长L之间应满足怎样的关系?

分析 (1)小球通过最高点时,绳对小球拉力F和重力的合力提供向心力,当F=0时,速度最小;
(2)若小球恰好通过最高点${v}_{A}=\sqrt{gL}$,根据机械能守恒定律求出BD的速度,再根据运动学基本公式求解时间差;
(3)小球运动到最高点时向心力最小值为mg,根据牛顿第二定律求得小球到达最高点的最小速度,从最高点到最低点,运用机械能守恒列式即可求解.

解答 解:(1)球通过最高点时的速度为v,F+mg=m$\frac{{v}^{2}}{L}$
F=$\frac{{mv}^{2}}{L}-mg$
当拉力F为零时,速度v的最小值为$\sqrt{gL}$
(2)若小球恰好通过最高点${v}_{A}=\sqrt{gL}$,由机械能守恒
$\frac{1}{2}m{{v}_{B}}^{2}=\frac{1}{2}m{{v}_{A}}^{2}+mgL$
解得:${v}_{B}={v}_{D}=\sqrt{3gL}$
从B点、D点小球分别竖直上抛和竖直下抛,则
△t=$\frac{2{v}_{B}}{g}=\frac{2{v}_{D}}{g}$=$\frac{2\sqrt{3gL}}{g}$         
(3)小球运动到最高点A绳断开后平抛运动,则
$h+L=\frac{1}{2}g{{t}_{A}}^{2}$   
xA=vAtA
小球运动到最低点C绳断开后平抛运动,则
$h-L=\frac{1}{2}g{{t}_{C}}^{2}$
xC=vCtC   
从A到C由机械能守恒定律得
$\frac{1}{2}m{{v}_{C}}^{2}=\frac{1}{2}m{{v}_{A}}^{2}+2mgL$
又xA=xC
联立上述各式解得${{v}_{A}}^{2}=2g(h-L)$
小球圆周运动到最高点A时${v}_{A}≥\sqrt{gL}$
得h≥$\frac{3}{2}$L                       
答:(1)v的最小值为$\sqrt{gL}$,此时绳对小球拉力F的大小为零;
(2)两种情况下小球从抛出到落地所用时间之差△t为$\frac{2\sqrt{3gL}}{g}$;
(3)O点距离地面高度h与绳长L之间应满足的关系为h≥$\frac{3}{2}$L.

点评 本题是圆周运动与平抛运动的综合,运用牛顿运动定律和机械能守恒结合进行研究,对于平抛运动,也可以运用分解的方法求小球落地速度.

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