Question

15．一個半徑為R=0.5m的水平轉(zhuǎn)盤可以繞豎直軸O′O″轉(zhuǎn)動，水平轉(zhuǎn)盤中心O′處有一個光滑小孔，用一根長L=1m細線穿過小孔將質(zhì)量分別為m_A=0.2kg、m_B=0.5kg的小球A和小物塊B連接，小物塊B 放在水平轉(zhuǎn)盤的邊緣且與轉(zhuǎn)盤保持相對靜止，如圖所示．現(xiàn)讓小球A在水平面做角速度ω_A=5rad/s的勻速圓周運動，小物塊B與水平轉(zhuǎn)盤間的動摩擦因素μ=0.3 （取g=10m/s²），求：
（1）細線與豎直方向的夾角θ；
（2）小球A運動不變，現(xiàn)使水平轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動起來，要使小物塊B與水平轉(zhuǎn)盤間保持相對靜止，求水平轉(zhuǎn)盤角速度ω_B的取值范圍；（最大靜摩擦力等于滑動摩擦力）
（3）在水平轉(zhuǎn)盤角速度ω_B為（2）問中的最大值的情況下，當小球A和小物塊B轉(zhuǎn)動至兩者速度方向相反時，由于某種原因細線突然斷裂，經(jīng)過多長時間小球A和小物塊B的速度相互垂直．（可能使用到的sin30°=$\frac{1}{2}$，cos30°=$\frac{{\sqrt{3}}}{2}$，sin37°=$\frac{3}{5}$，cos37°=$\frac{4}{5}$）

Answer 1

分析 （1）A做勻速圓周運動，重力和繩子的拉力合力提供向心力，根據(jù)向心力公式及幾何關系即可求解；
（2）當靜摩擦力達到最大，且方向背離圓心時，由繩子的拉力和靜摩擦力提供向心力，此時角速度最小，當靜摩擦力達到最大，且方向指向圓心時，由繩子的拉力和靜摩擦力提供向心力，此時角速度最大，根據(jù)向心力公式列式即可求解；
（3）所以繩子斷裂后，B球立即離開轉(zhuǎn)盤做平拋運動，同時A球也離開圓軌道做平拋運動，根據(jù)v=ωr求出平拋運動的初速度，根據(jù)平拋運動基本公式再結合角度關系即可求解．

解答 解：（1）對小球A受力分析如圖所示，由F=ma得，
${m}_{A}gtanθ={m}_{A}{r}_{A}{{ω}_{A}}^{2}$，①
由幾何關系知：${r}_{A}=\frac{L}{2}sinθ$，②
由①②解得：$cosθ=\frac{4}{5}$，
即θ=37°．③
（2）對物塊B受力分析，由F=ma得，
 當物塊受到的最大靜摩擦力f_max向左時，轉(zhuǎn)盤ω_B最大．
$T+μ{m}_{B}g={m}_{B}{r}_{B}{{ω}_{Bmax}}^{2}$    ④
當物塊受到的最大靜摩擦力f_max向右時，轉(zhuǎn)盤ω_B最小．
$T-μ{m}_{B}g={m}_{B}{r}_{B}{{ω}_{Bmin}}^{2}$     ⑤
又由（1）對A知，$T=\frac{{m}_{A}g}{cosθ}$    ⑥
聯(lián)合③④⑤⑥解得ω_Bmin=2rad/s，ω_Bmax=4rad/s．
即ω_B的取值范圍為2rad/s＜ω_B＜4rad/s．
（3）繩斷后A、B均做平拋運動，設經(jīng)時間t，A和B速度垂直，由平拋運動規(guī)律知此時A、B豎直方向速度均為v_y=gt⑦
水平方向：v_OA=r_Aω_A=1.5m/s，
v_OB=r_Bω_Bmin=2m/s．
作圖，由幾何關系得，${{v}_{y}}^{2}={v}_{OA}•{v}_{OB}$，
即t=$\sqrt{\frac{{v}_{OA}{v}_{OB}}{{g}^{2}}}$，
代入數(shù)據(jù)解得t=$\frac{\sqrt{3}}{10}s$．
答：（1）細線與豎直方向的夾角為37°；
（2）水平轉(zhuǎn)盤角速度ω_B的取值范圍為2rad/s＜ω_B＜4rad/s．
（3）經(jīng)過$\frac{\sqrt{3}}{10}s$時間小球A和小物塊B的速度相互垂直．

點評 解決本題的關鍵知道圓周運動向心力的來源，能根據(jù)向心力公式、平拋運動基本規(guī)律以及數(shù)學知識求解，難度較大，屬于難題．