题目内容

【题目】如图所示,半径为、质量为m的小球用两根不可伸长的轻绳a、b连接(绳子的延长线经过球心 ),两轻绳的另一端系在一根竖直杆的A、B两点上,A、B两点相距为l,当两轻绳伸直后,A、B两点到球心的距离均为l。当竖直杆以自己为轴转动并达到稳定时(轻绳a、b与杆在同一竖直平面内)。求:

(1)竖直杆角速度ω为多大时,小球恰好离开竖直杆?

(2)当竖直杆角速度ω=时,轻绳a的张力Fa为多大?

【答案】(1)(2)3mg

【解析】

试题分析: (1)小球恰好离开竖直杆时,小球与竖直杆间的作用力为零,设此时轻绳a与竖直杆间的夹角为α,由题意可知sin α=,

沿半径:Fasin α=mω2r

垂直半径:Facos α=mg

联立解得

(2)若角速度ω再增大,小球将离开竖直杆,在轻绳b恰伸直前,设轻绳a与竖直杆的夹角为β,此时小球做圆周运动的半径为r=lsin β

沿半径:Fasin β=mω2r,

垂直半径:Facos β=mg

联立解得Fa=mω2l

当轻绳b恰伸直时,β=60°,此时

由于

故轻绳b已拉直,小球做圆周运动的半径为r=lsin 60°

沿半径:Fasin 60°+Fbsin 60°=mω2r

垂直半径:Facos 60°=Fbcos 60°+mg

联立解得Fa=mlω2+mg,代入数据解得:Fa=3mg

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