Question

物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需的向心力F_需由運(yùn)動(dòng)情況決定，提供的向心力F_供由受力情況決定．若某時(shí)刻F_需=F_供，則物體能做圓周運(yùn)動(dòng)；若F_需＞F_供，物體將做離心運(yùn)動(dòng)；若F_需＜F_供，物體將做向心運(yùn)動(dòng)．現(xiàn)有一根長(zhǎng)L=1m的剛性輕繩，其一端固定于O點(diǎn)，另一端系著質(zhì)量m=0.5kg的小球（可視為質(zhì)點(diǎn)），將小球提至正上方的A 點(diǎn)處，此時(shí)繩剛好伸直且無張力，如圖所示．不計(jì)空氣阻力，g取10m/s²，則：
（1）為保證小球能在豎直面內(nèi)做完整的圓周運(yùn)動(dòng)，在A點(diǎn)至少應(yīng)施加給小球多大的水平速度？
（2）若小球以速度v₁=4m/s水平拋出的瞬間，繩中的張力為多少？
（3）若小球以速度v₂=1m/s水平拋出的瞬間，繩中若有張力，求其大��？若無張力，試求繩子再次伸直時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間？

Answer 1

【答案】分析：（1）小球在豎直面內(nèi)能夠做完整的圓周運(yùn)動(dòng)，在最高點(diǎn)時(shí)至少應(yīng)該是重力作為所需要的向心力，由重力作為向心力可以求得最小的速度；
（2）根據(jù)第一問的判斷可以知道v₁＞V，故繩中有張力，由向心力的公式可以求得繩的拉力的大�。�
（3）由于v₂＜V，故繩中沒有張力，小球?qū)⒆銎綊佭\(yùn)動(dòng)，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可以求得運(yùn)動(dòng)的時(shí)間．
解答：解：（1）要使小球在豎直面內(nèi)能夠做完整的圓周運(yùn)動(dòng)，在最高點(diǎn)時(shí)至少應(yīng)該是重力作為所需要的向心力，
所以 由 mg=m得
V==m/s，
（2）因?yàn)関₁＞V，故繩中有張力，
由牛頓第二定律得，
T+mg=m
代入數(shù)據(jù)解得，繩中的張力為T=3N，
（3）因?yàn)関₂＜V，故繩中沒有張力，小球?qū)⒆銎綊佭\(yùn)動(dòng)，如圖所示
水平方向：x=v₂t
豎直方向：y=gt²
    L²=（y-L）²+x²
解得：t==0.6s．
答：（1）在A點(diǎn)至少應(yīng)施加給小球m/s 的水平速度；
（2）若小球以速度v₁=4m/s水平拋出的瞬間，繩中的張力為3N；
（3）若小球以速度v₂=1m/s水平拋出的瞬間，繩中無張力，繩子再次伸直時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間是0.6s．
點(diǎn)評(píng)：要使小球在豎直面內(nèi)能夠做完整的圓周運(yùn)動(dòng)，在最高點(diǎn)時(shí)至少應(yīng)該是重力作為所需要的向心力，這是本題中的一個(gè)臨界條件，與此時(shí)的物體的速度相對(duì)比，可以判斷物體能否做圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而再根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來分析解決問題，本題能夠很好地考查學(xué)生的分析解決問題的能力，是道好題．