Question

20．如圖所示，裝置BO′O可繞豎直軸O′O轉(zhuǎn)動(dòng)，可視為質(zhì)點(diǎn)的小球A與兩細(xì)線連接后分別系于B、C兩點(diǎn)，裝置靜止時(shí)細(xì)線AB水平，細(xì)線AC與豎直方向的夾角θ=37°．已知小球的質(zhì)量m=1kg，細(xì)線AC長(zhǎng)l=1m．（重力加速度g取10m/s²，sin37°=$\frac{3}{5}，cos37°=\frac{4}{5}$）
（1）若裝置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω₁時(shí)，細(xì)線AB上的張力為0而AC與豎直方向的夾角仍為37°，求角速度ω₁的大小；
（2）若裝置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω₂=$\sqrt{10}$rad/s，求細(xì)線AB的拉力．

Answer 1

分析 （1）當(dāng)細(xì)線AB張力為零時(shí)，繩子AC拉力和重力的合力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律求出角速度的大�。�
（2）裝置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω₂=$\sqrt{10}$rad/s，小于第一問(wèn)中的角速度，根據(jù)牛頓第二定律求細(xì)線AB的拉力．

解答 解：（1）當(dāng)細(xì)線AB上的張力為0時(shí)，小球的重力和細(xì)線AC張力的合力提供小球圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，有：
mgtan37°=mω₁²lsin37°
解得：ω₁=$\sqrt{\frac{g}{lcos37°}}$=$\sqrt{\frac{10}{1×0.8}}$=$\frac{5\sqrt{2}}{2}$rad/s．
（2）由于ω₂＜ω₁，則細(xì)線AB上有拉力，為T(mén)，AC線上的拉力為F．根據(jù)牛頓第二定律得：
Fcos37°=mg
Fsin37°-T=mω₂²lsin37°
解得：F=12.5N，T=1.5N
答：（1）角速度ω₁的大小為$\frac{5\sqrt{2}}{2}$rad/s；
（2）若裝置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω₂=$\sqrt{10}$rad/s，細(xì)線AB的拉力是1.5N．

點(diǎn)評(píng) 解決本題的關(guān)鍵理清小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力來(lái)源，確定小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的臨界狀態(tài)，運(yùn)用牛頓第二定律進(jìn)行求解．