(2010•泰州模拟)风洞实验室可产生水平方向的、大小可调节的风力.在风洞中有一个固定的支撑架ABC,该支撑架的外表面光

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  • 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.

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