题目内容

4.如图(a)所示,A、B为钉在光滑水平面上的两根铁钉,小球C用长为l的细绳拴在铁钉B上(细绳能承受足够大的拉力),A、B、C在同一直线上,t=0时,给小球一个垂直于绳的速度,使小球绕着两根铁钉在水平面上做圆周运动,在0≤t≤10s时间内,细绳的拉力随时间变化的规律如图(b)所示,试求:
(1)两钉子间的距离d
(2)t=14s时细绳拉力的大小
(3)细绳第三次碰钉子到第四次碰钉子的时间间隔.

分析 (1)根据拉力提供向心力,结合图线,通过拉力的变化得出转动半径的变化,从而得出两钉子间的距离d.
(2)抓住转动的线速度不变,结合半径的变化得出每一个半圈的时间,从而确定出t=14s时转动的半径,结合拉力提供向心力,通过比较得出拉力的大小.
(3)抓住每转动半圈,绳长少$\frac{1}{6}l$,则时间少$\frac{1}{6}t$,确定出细绳第三次碰钉子到第四次碰钉子的时间间隔.

解答 解:(1)0-6s内,绳子的拉力不变,${F}_{1}=m\frac{{v}^{2}}{l}$,
6-10s内拉力大小不变,${F}_{2}=m\frac{{v}^{2}}{{l}_{1}}$,
因为${F}_{2}=\frac{6}{5}{F}_{1}$,则${l}_{1}=\frac{5}{6}l$,
可知两钉子间的距离d=$l-{l}_{1}=\frac{1}{6}l$.
(2)第一个半圈经历的时间为6s,则${t}_{1}=\frac{πl}{v}=6s$
则第二个半圈的时间${t}_{2}=\frac{πl′}{v}=\frac{5}{6}{t}_{1}=5s$,
小球转第三个半圈的时间${t}_{3}=\frac{π{l}_{2}}{v}$=$\frac{2}{3}{t}_{1}=4s$,
则t=14s时,小球转动的半径r=$\frac{2}{3}l$,
细绳的拉力${F}_{3}=m\frac{{v}^{2}}{r}=\frac{3}{2}×\frac{m{v}^{2}}{l}=\frac{3}{2}×5N=7.5N$.
(3)由题意知,细绳每跟钉子碰撞一次,转动半圈的时间少$\frac{1}{6}t=1s$,
则细绳第三次碰钉子到第四次碰钉子的时间间隔△t═6-3×1=3s.
答:(1)两钉子间的距离d为$\frac{1}{6}l$;
(2)t=14s时细绳拉力的大小为7.5N;
(3)细绳第三次碰钉子到第四次碰钉子的时间间隔为3s.

点评 解决本题的关键知道绳子的拉力提供圆周运动的向心力,在跟钉子碰撞的过程中,小球的线速度大小不变,转动的半径每转动半圈变化一次.

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