题目内容

1.如图所示,半径为R的半球形陶罐,固定在可以绕竖直轴旋转的水平转台上,转台转轴与过陶罐球心O的对称轴OO′重合.转台以一定角速度ω匀速转动.一质量为m的小物块落入陶罐内,经过一段时间后,小物块随陶罐一起转动且相对罐壁静止,它和O点的连线与OO′之间的夹角θ为60°.重力加速度大小为g.
(1)若ω=ω0,小物块受到的摩擦力恰好为零,求ω0;
(2)ω=(1±k)ω0,且0<k<<1,求小物块受到的摩擦力大小和方向.

分析 (1)若ω=ω0,小物块受到的摩擦力恰好为零,靠重力和支持力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律求出角速度的大小.
(2)当ω>ω0,重力和支持力的合力不够提供向心力,摩擦力方向沿罐壁切线向下,根据牛顿第二定律求出摩擦力的大小.当ω<ω0,重力和支持力的合力大于向心力,则摩擦力的方向沿罐壁切线向上,根据牛顿第二定律求出摩擦力的大小.

解答 解:(1)当摩擦力为零,支持力和重力的合力提供向心力,有:
mgtanθ=mRsinθω02,解得
${ω}_{0}=\sqrt{\frac{2g}{R}}$
(2)当ω=(1+k)ω0时,重力和支持力的合力不够提供向心力,摩擦力方向沿罐壁切线向下,
根据牛顿第二定律得,fcos60°+Ncos30°=mRsin60°ω2.
fsin60°+mg=Nsin30°
联立两式解得$f=\frac{\sqrt{3}k(2+k)}{2}mg$

当ω=(1-k)ω0时,摩擦力方向沿罐壁切线向上,
根据牛顿第二定律得,Ncos30°-fcos60°=mRsin60°ω2.
mg=Nsin30°+fsin60°
联立两式解得f=$\frac{\sqrt{3}k(2-k)}{2}mg$.
答:(1)小物块受到的摩擦力恰好为零时,${ω}_{0}=\sqrt{\frac{2g}{R}}$.
(2)当ω=(1+k)ω0时,摩擦力方向沿罐壁切线向下,大小为$f=\frac{\sqrt{3}k(2+k)}{2}mg$.
当ω=(1-k)ω0时,摩擦力方向沿罐壁切线向上,大小为$\frac{\sqrt{3}k(2-k)}{2}mg$.

点评 解决本题的关键搞清物块做圆周运动向心力的来源,结合牛顿第二定律,抓住竖直方向上合力为零,水平方向上的合力提供向心力进行求解.

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