题目内容
7.(1)如果A点到过O点竖直线的距离为$\frac{\sqrt{5}}{4}$l时,小球刚好运动到最低点时细绳断裂,则细绳能承受的最大拉力与重力的比值是多少?
(2)为保证细绳在不断裂的情况下,小球能在竖直面内做完整的圆周运动,则A点到O点竖直线的距离范围是多少?
分析 (1)根据几何知识求出小球绕钉子做圆周运动的半径,由机械能守恒定律求出小球运动到最低点时的速度,再由牛顿第二定律和向心力公式求解细绳能承受的最大拉力与重力的比值.
(2)小球恰好做完整的圆周运动时,在圆周的最高点由重力提供向心力,由此列式,结合机械能守恒定律求出A点到O点竖直线的距离最大值.当细绳刚要断裂时,在最低点拉力达到最大值,由牛顿第二定律和机械能守恒定律求出A点到O点竖直线的距离最小值,从而得到A点到O点竖直线的距离范围.
解答 解:(1)设小球绕钉子做圆周运动的半径为r.根据几何知识得:
r=l-$\sqrt{(\frac{l}{2})^{2}+(\frac{\sqrt{5}}{4}l)^{2}}$=$\frac{1}{4}$l
小球从开始到运动到最低点的过程,由机械能守恒定律得:
mg(r+$\frac{l}{2}$)=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
在最低点,由牛顿第二定律得:
Tm-mg=m$\frac{{v}^{2}}{r}$
联立解得:细绳能承受的最大拉力与重力之比 $\frac{{T}_{m}}{mg}$=7
(2)设小球恰好做完整的圆周运动时,A点到O点竖直线的距离为s1.在圆周的最高点由重力提供向心力,则有:
mg=m$\frac{{v}_{1}^{2}}{l-\sqrt{(\frac{l}{2})^{2}+{s}_{1}^{2}}}$
从开始到圆周的最高点,由机械能守恒定律得:
mg{$\frac{l}{2}$-[l-$\sqrt{(\frac{l}{2})^{2}+{s}_{1}^{2}}$]}=$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$
联立解得:s1=$\frac{\sqrt{7}}{6}$l
设小球在最低点细绳刚要断裂时,A点到O点竖直线的距离为s2.在最低点,由牛顿第二定律得:
Tm-mg=m$\frac{{v}_{2}^{2}}{l-\sqrt{(\frac{l}{2})^{2}+{s}_{2}^{2}}}$
从开始到圆周的最低点,由机械能守恒定律得:
mg{$\frac{l}{2}$+[l-$\sqrt{(\frac{l}{2})^{2}+{s}_{2}^{2}}$]}=$\frac{1}{2}m{v}_{2}^{2}$
联立解得:s2=$\frac{\sqrt{5}}{4}$l
所以A点到O点竖直线的距离范围是:$\frac{\sqrt{7}}{6}$l≤s<$\frac{\sqrt{5}}{4}$l
答:(1)细绳能承受的最大拉力与重力的比值是7.
(2)A点到O点竖直线的距离范围是 $\frac{\sqrt{7}}{6}$l≤s<$\frac{\sqrt{5}}{4}$l.
点评 对于圆周运动动力学问题,关键是分析受力情况,寻找向心力的来源,找出隐含的临界条件.
| A. | 电梯匀减速上升,加速度的大小为1.0 m/s2 | |
| B. | 电梯匀加速上升,加速度的大小为1.0 m/s2 | |
| C. | 电梯匀减速下降,加速度的大小为0.5 m/s2 | |
| D. | 电梯匀加速下降,加速度的大小为0.5 m/s2 |
| A. | 指南针可以仅具有一个磁极 | |
| B. | 指南针能够指向南北,说明地球具有磁场 | |
| C. | 指南针的指向不会受到附近铁块的干扰 | |
| D. | 在指南针正上方附近沿指针方向放置一直导线,导线通电时指南针会偏转 |
| A. | tD<tA<tC<tB | |
| B. | tD<tA=tC<tB | |
| C. | tD=tA=tC<tB | |
| D. | 由于C点的位置不确定,无法比较时间大小关系 |
| A. | ω=$\sqrt{\frac{2g}{r}}$,F=3mg | B. | ω=$\sqrt{\frac{2g}{r}}$,F=2mg | C. | ω=$\sqrt{\frac{g}{r}}$,F=3mg | D. | ω=$\sqrt{\frac{g}{r}}$,F=2mg |
| A. | 木块下滑过程中的加速度不变 | |
| B. | 木块下滑过程中受到的合力大小不变 | |
| C. | 木块下滑过程中受到的摩擦力大小不变 | |
| D. | 木块下滑过程中受到的支持力大小不变 |
| A. | 在纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2Rt | |
| B. | 在非纯电阻电路中,计算电热可用公式Q=IUt | |
| C. | 在非纯电阻电路中,计算电热可用公式Q=I2Rt | |
| D. | 在纯电阻电路中,计算电热可用公式W=IUt |