题目内容

15.如图所示,光滑的水平圆盘中心O处有一个光滑小孔,用细绳穿过小孔,绳两端各系一个小球A和B,圆盘上的A球随圆盘一起在水平面内做半径为r=10cm的匀速圆周运动,要使B球保持静止状态,(g=10m/s2)求:
(1)若B球的质量是A球质量的4倍,A球的线速度应是多大;
(2)若A、B两球质量相等且水平圆盘表面粗糙,A与水平圆盘的最大静摩擦力为A球重量的0.2倍,求圆盘的角速度取值范围.

分析 (1)对B球受力分析,B处于平衡求得绳中拉力,再分析A球,绳对A的拉力提供A球圆周运动向心力,由此求得A的线速度大小;
(2)A与圆盘一起运动时,当最大静摩擦力与绳拉力方向相同时,向心力最大求得此时最大角速度,若最大静摩擦力与绳拉力方向相反时,此时向心力最小,由此求得最小角速度即得角速度的取值范围.

解答 解:(1)令A球的质量为m,则B球质量为4m,以B为研究对象知B处于平衡状态,对B分析可得,绳对B的拉力T=4mg,
因为是同一根绳,故绳对A的球的拉力亦为T′=4mg,
对A球分析可知,重力与支持力平衡,小球所受重力和支持力平衡,绳的拉力提供A球圆周运动向心力,故有:
$T′=m\frac{{v}^{2}}{r}$
所以A球的线速度$v=\sqrt{\frac{rT′}{m}}=\sqrt{\frac{0.1×4m×10}{m}}m/s=2m/s$;
(2)当AB两球质量相等时有绳对A球的拉力T″=mg,当A所受最大静摩擦力与绳拉力一定时,球A有最大角速度,据合力提供向心力有:
$T″+μmg=mr{ω}_{max}^{2}$
得A的最大角速度${ω}_{max}=\sqrt{\frac{T″+μmg}{mr}}=\sqrt{\frac{mg+0.2mg}{0.1m}}=\sqrt{120}rad/s$
同理,当A球所受最大静摩擦力与绳的拉力方向相反时,球A有最小角速度,据合力提供向心力有:
$T″-μmg=mr{ω}_{min}^{2}$
得A球的最小角速度${ω}_{min}=\sqrt{\frac{T″-μmg}{mr}}=\sqrt{\frac{mg-0.2mg}{0.1m}}=\sqrt{80}rad/s$
所以保持B球静止,A球角速度的取值范围为:
$\sqrt{80}rad/s≤ω≤\sqrt{120}rad/s$
答:(1)若B球的质量是A球质量的4倍,A球的线速度应是2m/s;
(2)若A、B两球质量相等且水平圆盘表面粗糙,A与水平圆盘的最大静摩擦力为A球重量的0.2倍,圆盘的角速度取值范围为$\sqrt{80}rad/s≤ω≤\sqrt{120}rad/s$.

点评 对B分析求得绳中拉力,再分析A球,由A球所受合力提供圆周运动向心力分析A球的运动情况,掌握向心力的来源是解决问题的关键.

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