Question

如圖所示，兩個可視為質(zhì)點(diǎn)的小球a和b，用質(zhì)量可忽略的剛性細(xì)桿相連，放置在一個光滑的半球面內(nèi)，已知小球a和b的質(zhì)量分別為

3

m、m．細(xì)桿長度是球面半徑的

2

倍．兩球處于平衡狀態(tài)時，有關(guān)下列說法正確的是（　�。�

A．細(xì)桿與水平面的夾角θ=15°

B．桿對a、b球作用力的方向不一定沿桿

C．桿對a、b球的作用力的大小為 6 2 mg

D．半球面對a、b球的彈力之比為 3 3

Answer 1

因桿可以繞任一點(diǎn)轉(zhuǎn)動，故若桿對a、b的作用力不沿桿，則桿不可能處于平衡狀態(tài)； 故桿對ab球的彈力一定沿桿，且對兩球的作用力大小一定相等；故B錯誤；
設(shè)細(xì)桿對兩球的彈力大小為T，小球a、b的受力情況如圖所示其中球面對兩球的彈力方向指向圓心，即有：cos α=

2 R 2

R

₌

2

2

解得：α=45°
故F_Na的方向為向上偏右，即β₁=90°-45°-θ=45°-θ
F_Nb的方向為向上偏左，即β₂=90°-（45°-θ）=45°+θ
兩球都受到重力、細(xì)桿的彈力和球面的彈力的作用，過O作豎直線交ab于c點(diǎn)，設(shè)球面的半徑為R，則oac與左側(cè)力三角形相似；oac與右側(cè)力三角相似；則由幾何關(guān)系可得：

mag

OC

=

FNa

R

=

T

ac

mbg

OC

=

FNb

R

=

T

bc

解得：F_Na=

3

F_Nb；
半球面對兩球的彈力之比為

3

，故D錯誤；
取a、b及細(xì)桿組成的整體為研究對象，由平衡條件得：
F_Na?sin β₁=F_Nb?sin β₂
即

3

F_Nb?sin（45°-θ）=F_Nb?sin（45°+θ）
解得：θ=15°．故A正確；
由幾何關(guān)系可知，∠ocb=75°，則∠cob=60°
則有正弦定理可得：

T

sin60°

=

mg

sin45°

解得：
T=

6

2

mg；故C正確；
故選AC．