解题思路:(1)小球m1到最高点C恰与圆柱面脱离,此时圆柱体对小球的支持力恰好为零,由重力提供向心力,根据牛顿第二定律求出小球在C点的速度.对于m1和m2组成的系统,在小球m1沿圆柱面向上滑行的过程中,机械能守恒,由机械能守恒定律列式求质量之比;
(2)由于风力恒定,小球m1滑至圆柱面的最高点C绳断裂后,小球m1在水平方向做末速度为零的匀减速运动,在竖直方向做自由落体运动,由运动学公式求出小球m1经过C点时的速度和水平方向的加速度,由牛顿第二定律求水平风力F.
(1)小球m1在C点恰好离开圆柱面,由圆周运动规律可知小球在C点时只由重力提供向心力,mg=m
v2c
R,
小球在C点的速度为:vc=
gR
由m1和m2组成的系统机械能守恒,则将两球由静止释放到小球m1离开C点时有:
m2g•(
2πR
4)−m1gR=
1
2(m1+m2)
v2c
由以上两式解得:m1:m2=(π-1):3
(2)绳子断裂后小球m1在水平方向的平均速度为:
.
v=
R
t
小球m1在下落过程中在竖直方向做自由落体运动,运动时间为:t=
6R
g
小球m1在水平方向做末速度为零的匀减速运动,小球m1在离开C点时的速度为:v′c=2
.
v
由解得:v′c=
2gR
3
由匀变速运动规律可知,小球在水平方向的加速度大小为:a=
v2c
2R=
g
3
由牛顿第二定律可求得小球所受风力为:F=ma=
mg
3
答:
(1)两球的质量之比m1:m2是(π-1):3.
(2)小球m1经过C点时的速度为
2gR
3,水平风力F的大小是[mg/3].
点评:
本题考点: 机械能守恒定律;自由落体运动;牛顿第二定律;向心力.
考点点评: 本题第1题是系统的机械能守恒与向心力结合,把握住最高点的临界条件:圆柱体的支持力为零,由重力提供小球的向心力是关键.第2题关键是对小球进行受力分析,结合正交分解法,根据牛顿第二定律列式求解.