Question

一質(zhì)量為m的質(zhì)點，系于長為R的輕繩的一端，繩的另一端固定在空間的O點，假設(shè)繩不可伸長，柔軟且無彈性．質(zhì)點從O點的正上方離O點距離為R的點，以水平速度拋出，試求：

    (1)輕繩剛剛伸直時，繩與豎直方向的夾角為多少？

(2)當(dāng)質(zhì)點到達O點的正下方時，繩對質(zhì)點的拉力為多大？

Answer 1

【知識點】機械能守恒定律；牛頓第二定律；平拋運動；向心力．C2 D3 E3

【答案解析】(1)  (2)   解析：：（1）小球的運動可分為三個過程：
第一過程：小球做平拋運動．設(shè)繩即將伸直時，繩與豎直方向的夾角為θ，如圖所示，則V0t=Rsinθ，gt2=R-Rcosθ，其中V0=聯(lián)立解得θ=，t=．
即輕繩即將伸直時，繩與豎直方向的夾角為90°．
（2）第二過程：繩繃直過程．繩棚直時，繩剛好水平，如圖所示．由于繩不可伸長，故繩繃直時，V0損失，小球僅有速度V⊥，且V⊥=gt=．
第三過程：小球在豎直平面內(nèi)做圓周運動．設(shè)小球到達O點正下方時，速度為V′，根據(jù)機械能守恒守律有：mV/2=mV⊥2+mg•R
設(shè)此時繩對小球的拉力為T，則T-mg=m，
聯(lián)立解得：T=mg．
故當(dāng)小球到達O點的正下方時，繩對質(zhì)點的拉力為mg． 

【思路點撥】（1）先將平拋運動沿水平和豎直方向正交分解，根據(jù)位移公式列式求解；（2）細線剛剛繃緊時，將速度沿著細線方向和垂直細線方向正交分解，沿細線方向速度迅速減小為零，垂直細線方向速度不變，之后物體繞O點做變速圓周運動，機械能守恒，先求出最低點速度，再根據(jù)向心力公式和牛頓第二定律求解拉力．本題關(guān)鍵是將小球的運動分為三個過程進行分析討論，平拋運動過程、突然繃緊的瞬時過程和變速圓周運動過程；然后根據(jù)對各段運用平拋運動位移公式、速度分解法則、機械能守恒定律和向心力公式列式求解．