解题思路:(1)速度相同包括大小相等方向相同,所以本题要求A和B的速度大小相等,方向相同;(2)做匀速圆周运动的物体具有周期性,做题时要考虑A物体运动的周期性;(3)根据题意可知B在水平恒力作用下做匀加速直线运动,速度和位移可根据匀变速直线运动的基本公式解题;(3)本题有一个隐含条件就是A、B两物体的运动时间相同,这是解题的关键.
(1)因为B物体在水平方向上做匀加速直线运动,所以B的速度方向一直沿X轴正方向,故只有当A物体运动到圆心O的正上方时,即最高点时,速度可能与B物体相同.
(2)要使A、B速度相同,A必需在圆心O的正上方,但圆周运动具有周期性,所以
A物体运动到圆心正上方时的时间为:
t=nT+
T
4(n=0,1,2,3…表示小球运动圈数),T=
2π
ω
A的速度为va=ωR
B运动的时间与A的时间相同,则tb=
(4n+1)π
2ω (n=0,1,2,3…) ①
vb=va=ωR ②
B做初速度为零的匀加速直线运动,则 vb=atb③
根据牛顿第二定律可知:
a =
F
M ④
联立①②③④解得:
F=
2Mω2R
4nπ+π (n=0,1,2,3…)
(3)当时间最短即n=0时,B物体有最小位移
xmin=
1
2abtb2=
1
2×
2Mω2R
πM• (
π
2ω)2=[πR/4]
答:(1)在圆心O的正上方时,即最高点时,速度可能与B物体相同;
(2)要使两物体的速度相同,作用在B物体上的力F=
2mω2R
4nπ+π( n=0 1 2 3);
(3)最小位移为[πR/4].
点评:
本题考点: 匀变速直线运动规律的综合运用;牛顿运动定律的综合应用.
考点点评: 速度是矢量,速度相同时要注意方向也要相同,匀速圆周运动具有周期性,很多同学在解题时容易遗忘.本题是圆周运动与匀加速直线运动相结合的题型,关键抓住运动的时间相同解题,难度较大.