Question

【題目】一輕繩一端連接一小球，另一端固定在懸點上．開始時小球靜止在最低點，一方向水平的沖力作用到小球上使小球立刻獲得一個水平速度v1 ， 結(jié)果小球在豎直面內(nèi)來回擺動，如圖中①．此后，當小球某次擺至最高點時，又有另一方向水平的沖力作用到小球上使小球立刻獲得另一個水平速度v2 ， 此后小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，如圖中②，而且運動過程中繩子的拉力大小與前面小球在擺動過程中繩子拉力的最大值相等．求：

（1）輕繩偏離豎直方向的最大夾角θ．
（2）速度v1和速度v2大小的比值 ．

Answer 1

【答案】
（1）解：設(shè)小球質(zhì)量為m，繩子長度為l．小球擺動過程機械能守恒，則： mv12=mgl（1﹣cosθ）

小球在最低點時繩子拉力最大Fm﹣mg=m

聯(lián)立解得：Fm=mg（3﹣2cosθ）

小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，有Fm=mgtanθ=m

圓周半徑：r=lsinθ

設(shè)繩子拉力為F，則mg=Fcosθ

又由題意可得：Fm=F

聯(lián)立以上各式解得：cosθ=0.5，即θ=600；

答：輕繩偏離豎直方向的最大夾角為600；

（2）解： = ．

答：速度v1和速度v2大小的比值為 ．

【解析】小球開始在最低點，擺至最高點過程中，只有重力做功，機械能守恒，小球在最低點時繩子拉力最大，由牛頓第二定律建立等式，小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，繩子的拉力沿水平方向的分力提供向心力，由此可得．
【考點精析】解答此題的關(guān)鍵在于理解機械能守恒及其條件的相關(guān)知識，掌握在只有重力（和彈簧彈力）做功的情形下，物體動能和重力勢能（及彈性勢能）發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機械能的總量保持不變．