题目内容

如图所示,在光滑水平桌面上,A、B两枚固定钉间距s=0.1m,长为l0=1m的细线系在A钉上,另一端系一质量m=0.5kg的小球,现令小球以v=2m/s的恒定速率做圆周运动,线逐渐缠在A、B之上,求(1)线全部缠在钉上所用的时间t总(设线不断);(2)如果细线的抗断张力为7N,从开始到断裂经过多长时间?

答案:
解析:

解析:由于水平面光滑,所以小球运动过程中可认为小球的速率不变,随着绳子缠在A、B之上,轨道半径越来越小,对绳子拉力也就越来越大.

小球受重力与水平面的支持力平衡,细线对小球拉力为向心力,根据牛顿第二定律:

(1)第一个半圆:

F1=m t1=

第二个半圆:

F2=m t2=

第三个半圆:

F3=m t3=

依次类推第n个半圆:

Fn=mv2/[l0-(n-1)s]

tn=π[l0-(n-1)s]/v

故t总=t1+t2+…+tn=[nl0-]

其中n==10,

所以t总≈8.6s

(2)设第x个半圆末绳恰断裂,则:

Fx==7N

解得x=

因为取整圈数,所以第8圈后绳断裂.

所以t总′=[8l0-]≈8.2s


提示:

点评:圆周运动是一个周期性运动,解决此类问题的关键是通过考查个别情景总结出通项表达式,从特殊到一般,然后再结合具体情况,问题便可迎刃而解.


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