高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图,$M$$N$为固定在竖直平面内同一高度的两根细钉,间距$L=0.5\;\rm m$。一根长为$3L$的轻绳一端系在$M$上,另一端竖直悬挂质量$m=0.1\;\rm kg$的小球,小球与水平地面接触但无压力。$t=0$时,小球以水平向右的初速度$v_{0}=10\;\rm m/s$开始在竖直平面内做圆周运动。小球牵引着绳子绕过$N$$M$,运动到$M$正下方与$M$相距$L$的位置时,绳子刚好被拉断,小球开始做平抛运动。小球可视为质点,绳子不可伸长,不计空气阻力,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$

求绳子被拉断时小球的速度大小,及绳子所受的最大拉力大小;

[["

$v= 4\\sqrt{5}\\;\\rm{m/s}$$T=17\\;\\rm N$

"]]

小球从最下端以速度$v_{0}$抛出到运动到$M$正下方距离为$L$的位置时,根据机械能守恒定律$\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}=mg \cdot 2L+ \dfrac{1}{2}mv^{2}$

在该位置时根据牛顿第二定律$T-mg=m\dfrac{v^{2}}{L}$

解得$v=4\sqrt{5}\;\rm{m/s}$$T=17\;\rm N$

求小球做平抛运动时抛出点到落地点的水平距离;

[["

$4\\;\\rm m$

"]]

小球做平抛运动时$x=vt$$2L=\dfrac{1}{2}gt^{2}$

解得$x=4\;\rm m$

若在$t=0$时,只改变小球的初速度大小,使小球能通过$N$的正上方且绳子不松弛,求初速度的最小值。

[["

$2\\sqrt{15}\\;\\rm{m/s}$

"]]

若小球经过$N$点正上方绳子恰不松弛,则满足$mg=m\dfrac{v^{'2}}{2L}$

从最低点到该位置由动能定理$\dfrac{1}{2}mv_{0}^{'2}=mg \cdot 5L+\dfrac{1}{2}mv^{'2}$

解得$v_{0}'=2\sqrt{15}\;\rm{m/s}$

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