5.如圖所示,質(zhì)量為m的小球用一根細(xì)線懸掛在O點(diǎn),用一個水平力作用在小球上,使細(xì)線與豎直方向成30°角時小球靜止,求:
(1)水平拉力的大。
(2)若使小球靜止在原位置,作用于小球的力可以沿不同的方向,則這個力與水平方向成多大的角度時,這個力最小?最小值為多大?
(3)若使小球靜止在原位置,作用于小球的力可以沿不同的方向,當(dāng)該力為mg時,則這個力與水平方向成多大角度?
(4)若使小球靜止,作用于小球的力可以沿不同的方向,當(dāng)該力為$\frac{3}{5}mg$時,若使細(xì)線與豎直方向的夾角最大,則該角度的正弦值為多少?

分析 (1)小球靜止時,合力為零,分析小球的受力情況,根據(jù)平衡條件求解水平拉力的大;
(2)運(yùn)用作圖法分析什么條件下F最小,并求出最小值;
(3)根據(jù)矢量合成的方法分析即可;
(4)當(dāng)該力為$\frac{3}{5}mg$時時,結(jié)合(2)的分析即可解答.

解答 解:(1)小球靜止時,受到重力mg、細(xì)線的拉力T和水平拉力F,小球的合力為零,則有
水平方向:F=Tsin30°
豎直方向:Tcos30°=mg
聯(lián)立得:F=mgtan30°=$\frac{{\sqrt{3}}}{3}mg$
(2)由圖1分析可知,當(dāng)F與細(xì)線垂直時F最小,即F與水平方向成30°斜向上時,F(xiàn)最小,有:
Fmin=mgsin30°=$\frac{1}{2}mg$ 
(3)結(jié)合(2)的受力圖可知,當(dāng)F豎直向上時,拉力等于mg;
或根據(jù)等腰三角形的特點(diǎn)知,拉力的方向與水平方向成30°斜向下時,如圖2,此時:F=mg
(4)當(dāng)該力為$\frac{3}{5}mg$時,若使細(xì)線與豎直方向的夾角最大,則該力的方向與細(xì)線的方向垂直,所以該角度的正弦值為:
sinθmax=$\frac{{\frac{3}{5}mg}}{mg}=\frac{3}{5}$
答:(1)水平拉力的大小是$\frac{{\sqrt{3}}}{3}mg$.
(2)若使小球靜止在原位置,作用于小球的力可以沿不同的方向,即F與水平方向成30°斜向上時,F(xiàn)最小,最小值為0.5mg;
(3)若使小球靜止在原位置,作用于小球的力可以沿不同的方向,當(dāng)該力為mg時,則這個力F豎直向上,即與水平方向成90°或拉力的方向與水平方向成30°斜向下時;
(4)若使小球靜止,作用于小球的力可以沿不同的方向,當(dāng)該力為$\frac{3}{5}mg$時,若使細(xì)線與豎直方向的夾角最大,則該角度的正弦值為$\frac{3}{5}$.

點(diǎn)評 本題是共點(diǎn)力平衡中極值問題,運(yùn)用作圖法或分析法得到幾種不同條件下的極值的條件是關(guān)鍵.

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