题目内容

(2007?南京二模)将力传感器连接到计算机上就可以测量迅速变化的力的大小.在图甲所示的装置中,可视为质点的小滑块沿固定的光滑半球形容器内壁在竖直平面的AB之间往复运动,OA、OB与竖直方向之间的夹角相等且都为θ(θ<10°).某次实验,用力传感器测得滑块对器壁的压力大小F随时间t变化的曲线如图乙所示,图中t=0时,滑块从A点开始运动.试根据力学规律和题中(包括图中)所给出的信息.求:

(1)压力大小F随时间t变化的周期与小滑块运动的周期之比;
(2)容器的半径和小滑块的质量;
(3)小滑块运动过程中的最大动能.
(g取10m/s2)
分析:(1)通过图象得出压力大小随时间变化的周期,滑块的周期是压力变化周期的2倍.
(2)根据滑块的周期,结合单摆的周期公式求出 容器的半径.滑块在最低点对底部的压力最大,在最高点压力最小,且沿径向的合力为零,根据牛顿第二定律结合机械能守恒定律求出滑块的质量.
(3)根据动能定理求出最大动能.
解答:解:(1)读图可得,压力大小F随时间t变化的周期T1=0.2πs.
经判断知滑块运动的周期T1是压力大小变化周期T2的2倍,故
T1
T2
=
1
2
.
(2)滑块在AB之间做类似于单摆的简谐运动,周期T2=0.4π s
由T2=2π
R
g
得,容器的半径:R=
T22g
4π2
=0.4 m           
当滑块运动到最低点时,由牛顿第二定律:
Fmax-mg=m
v02
R
                   ①
在A点时有:Fmin=mgcosθ            ②
滑块由A到最低点过程机械能守恒得:
1
2
mv02=mgR(1-cosθ)
   ③
其中,Fmax=1.02N;Fmin=0.99N                         
由①②③式解得小滑块的质量:m=0.10㎏cosθ=0.99
(3)当滑块运动到最低点时,滑块的最大动能最大,其值为
Ek=mgR(1-cosθ)=4×10-3J     
答:(1)压力大小F随时间t变化的周期与小滑块运动的周期之比为
1
2
.
(2)容器的半径为0.4m,小滑块的质量为0.10kg.
(3)小滑块运动过程中的最大动能为4×10-3J.
点评:本题综合考查了动能定理、机械能守恒定律、牛顿第二定律,以及考查学生的读图能力,综合性较强,是一道好题.
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