Question

如圖所示，能承受最大拉力F_m=10N的細線長L=0.6m，它的一端固定于高H=2.1m的O點，另一端系一質量為m=0.5kg的小球在水平面內做圓周運動，由于轉速加快而使細線斷裂．求：小球落地點距O點的水平距離是多大？（g取10m/s²）

Answer 1

分析：對小球受力分析，豎直方向小球受力平衡，小球在水平面內做圓周運動時，由重力G和拉力F的合力提供向心力，分別由平衡條件和牛頓第二定律列方程，可解出當繩子斷時小球的線速度．當繩子斷后，小球做平拋運動，由平拋運動規律求小球做平拋運動的時間，再求得水平位移，再根據幾何關系可求出小球落地點距O點的水平距離．

解答：解：（1）小球在水平面內做圓周運動時，由重力G和拉力F的合力提供向心力，
設繩將要斷時，繩與豎直方向的夾角為θ，
由豎直方向小球受力平衡有
cosθ=

G

Fm

=

0.5×10

10

=

1

2

，
所以，θ=60°
由幾何關系得：小球做圓周運動的半徑為
R=Lsinθ=0.6×

3

2

m=

3 3

10

m．
當繩斷時，沿半徑方向，牛頓第二定律得：
mg?tanθ=

mv2

R

，
解得：v=

gR?tan60°

=

10×0.3× 3 × 3

m/s=3m/s．
（2）繩斷后，小球做平拋運動，這時小球離地面的高度h為
h=H-Lcos60°=(2.1-0.6×

1

2

)m=1.8m．
由平拋規律h=

1

2

gt²，求得小球做平拋運動的時間
t=

2h g

=

2×1.8 10

s=0.6s．
水平位移　x=vt=3×0.6m=1.8m．
小球落地點距O₂的距離為：

.

O2B

=

x2+R2

=

1.82+(0.3× 3 )2

m
=

3.51

m≈1.87m．
答：小球落地點距O點的水平距離為1.87m．

點評：此題涉及到復雜的運動過程，要把運動過程一段一段分析清楚，這是解題的關鍵．此題有一定的難度，屬于難題．