Question

【題目】如圖所示，在圓柱形倉庫天花板中心的O點，掛一根L＝3m的細繩，繩的下端掛一個質量為m＝0.5kg的小球，已知繩能承受的最大拉力為10N。小球在水平面內做圓周運動，當小球速度逐漸增大時，細繩與豎直方向的夾角也隨之變大。當速度逐漸增大某一數值，細繩正好斷裂，設斷裂時小球在圖中的位置A，隨后小球以v＝9m/s的速度正好落在墻角的C點。設g＝10m/s2，求：

（1）繩剛要斷裂時與豎直方向夾角α及此時球做圓周運動的半徑r；

（2）這個倉庫屋頂的高度H和半徑R。

Answer 1

【答案】（1）60°；m；（2）3.3m；4.8m

【解析】

(1)取小球為研究對象，設繩剛要斷裂時拉力大小為F，則在豎直方向有

代入數據解得

α＝60°

球做圓周運動的半徑

r＝Lsin60°＝

(2)OO′間的距離為

OO′＝Lcos60°＝1.5m

則O′O″間的距離為

O′O″＝H－OO′

由牛頓第二定律知

代入數據，可得

細繩斷裂后小球做平拋運動，設A點在地面上的投影為B，如圖所示

由運動的合成可知

由此可得小球平拋運動的時間

t＝0.6s

由平拋運動的規律可知小球在豎直方向上的位移

＝H－1.5m

所以屋的高度為

H＝＋1.5m＝3.3m

小球在水平方向上的位移為

x＝BC＝vAt＝m

由圖可知圓柱形屋的半徑為

R＝＝4.8m