题目内容

20.如图所示,一质量为m的小球,用长为L的轻绳悬挂于O点,初始时刻小球静止于P点.第一次小球在水平拉力F作用下,从P点缓慢地移动到Q点,此时轻绳与竖直方向夹角为θ,张力大小为T1;第二次在水平恒力F′作用下,从P点开始运动并恰好能到达Q点,至Q点时轻绳中的张力为大小T2,不计空气阻力,重力加速度为g,关于这两个过程,下列说法中正确的是(  )
A.两个过程中,轻绳的张力均变大
B.T1=T2=$\frac{mg}{cosθ}$
C.第一个过程中,拉力F在逐渐变大,且最大值一定大于F′
D.第二个过程中,重力和水平恒力F′的合力的功率先减小后增加

分析 第一个过程中,小球处于动态平衡状态,由平衡条件分析张力的变化.第二次在水平恒力F′作用下,从P点开始运动并恰好能到达Q点,则到达Q点时速度为零,由于重力和拉力都是恒力,可以把这两个力合成为新的“重力”,则第二次小球的运动可以等效于单摆运动,找出“最低点”,最低点的速度最大,在Q点速度为零,则向心力为零,来分析重力和水平恒力F′的合力的功率如何变化.

解答 解:A、第一次运动过程中,根据几何关系和平衡条件可知,绳子的拉力 T1=$\frac{mg}{cosθ}$,θ变大,cosθ变小,所以轻绳的张力变大.
第二次由于重力和拉力都是恒力,可以把这两个力合成为新的“重力”,则第二次小球的运动可以等效于单摆运动,当绳子方向与重力和F′方向在同一直线上时,小球处于“最低点”,最低点的速度最大,此时绳子张力最大,所以第二次绳子的张力先增大后减小,故A错误;
B、第二次小球到Q点的过程中,根据动能定理得:
F′lsinθ=mgl(1-cosθ)
在Q点时向心力为零,则轻绳中的张力为大小 T2=mgcosθ+F′sinθ=mgcosθ+$\frac{mg(1-cosθ)}{sinθ}$•sinθ=mg,故B错误.
C、第一次小球在水平拉力F作用下,从P点缓慢地移动到Q点,则小球处于平衡状态,根据平衡条件得:F的最大值 F=mgtanθ,随着θ增大,F逐渐增大.
第二次从P点开始运动并恰好能到达Q点,则到达Q点时速度为零,在此过程中,根据动能定理得:
 F′lsinθ-mgl(1-cosθ)=0
解得:F′=mgtan$\frac{θ}{2}$,因为θ<90°,所以mgtan$\frac{θ}{2}$<mgtanθ,则F>F′,故C正确;
D、第二个过程中,重力和水平恒力F′的合力是个恒力,在等效最低点时,合力方向与速度方向垂直,此时功率最小为零,到达Q点速度也为零,则第二个过程中,重力和水平恒力F′的合力的功率先减小,后增大,再减小为0,故D错误.
故选:C

点评 本题的难点在第二次拉动小球运动过程的处理,由于重力和拉力都是恒力,可以把这两个力合成为新的“重力”,则第二次小球的运动可以等效于单摆运动,根据单摆的知识进行分析.

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