Question

5．將一測(cè)力傳感器連接到計(jì)算機(jī)上就可以測(cè)量快速變化的力．圖甲中O點(diǎn)為單擺的固定懸點(diǎn)，現(xiàn)將小擺球（可視為質(zhì)點(diǎn)拉至A點(diǎn)，此時(shí)細(xì)線處于張緊狀態(tài)，釋放擺球，則擺球?qū)⒃谪Q直平面內(nèi)的A、B、C之間來(lái)回?cái)[動(dòng)，其中B點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)中的最低位置，∠AOB=∠COB=α；α小于10°且是未知量．圖乙表示由計(jì)算機(jī)得到的細(xì)線對(duì)擺球的拉力大小F隨時(shí)間t變化的曲線，且圖中t=0時(shí)刻為擺球從A點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻．試根據(jù)力學(xué)規(guī)律和題中（包括圖中）所給的信息求：（g取10m/s²）

（1）單擺的振動(dòng)周期和擺長(zhǎng)；
（2）擺球的質(zhì)量；
（3）擺球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大速度．

Answer 1

分析 （1）小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，繩子的拉力最大，在一個(gè)周期內(nèi)兩次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)，根據(jù)該規(guī)律，求出單擺的周期．再根據(jù)單擺的周期公式求出擺長(zhǎng)．
（2）小球在最高點(diǎn)時(shí)繩子的拉力最小，在最低點(diǎn)時(shí)繩子拉力最大，求出最高點(diǎn)和最低點(diǎn)繩子拉力的表達(dá)式，再結(jié)合動(dòng)能定理或機(jī)械能守恒定律求出擺球的質(zhì)量．
（3）根據(jù)最低點(diǎn)時(shí)繩子的拉力最大，結(jié)合牛頓第二定律求出擺球的最大速度．

解答 解：（1）擺球受力分析如圖所示：


小球在一個(gè)周期內(nèi)兩次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)，根據(jù)該規(guī)律，
T=0.4πs．
由單擺的周期公式為：T=2π$\sqrt{\frac{L}{g}}$，
解得：L=$\frac{g{T}^{2}}{4{π}^{2}}$=$\frac{10×0.16{π}^{2}}{4{π}^{2}}$=0.4m．
（2）（3）在最高點(diǎn)A，有：F_min=mgcosθ=0.495N，
在最低點(diǎn)B，有：F_max=mg+m$\frac{{v}^{2}}{L}$，
從A到B，機(jī)械能守恒，由機(jī)械能守恒定律得：
mgR（1-cosθ）=$\frac{1}{2}$mv²，
聯(lián)立三式并代入數(shù)據(jù)得：m=0.05kg，v=$\frac{\sqrt{2}}{5}$m/s≈0.283m/s
答：（1）單擺的振動(dòng)周期為0.4πs，擺長(zhǎng)為0.4m；
（2）擺球的質(zhì)量為0.05kg；
（3）擺球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大速度為0.283m/s．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了單擺周期公式的應(yīng)用，解決本題的關(guān)鍵掌握單擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，知道單擺的周期公式，以及會(huì)靈活運(yùn)用動(dòng)能定理、牛頓第二定律解題．