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fb=mbω2rb=mω2r,
fc=mcω2rc =mω2·2r=2mω2r.
即物体b所受静摩擦力最小.b正确.
由于转台对物体的静摩擦力有一个最大值,设相互间摩擦因数为μ,静摩擦力的最大值可认为是fm=μmg.由fm=fn,即
得不发生滑动的最大角速度为
即离转台中心越远的物体,使它不发生滑动时转台的最大角速度越小.
由于rc>ra=rb,所以当转台的转速逐渐增加时,物体c最先发生滑动.转速继续增加时,物体a、b将同时发生滑动.c正确,d错.
【答】b、c.
【例4】如图,光滑的水平桌面上钉有两枚铁钉a、b,相距l0=0.1m.长l=1m的柔软细线一端拴在a上,另一端拴住一个质量为500g的小球.小球的初始位置在ab连线上a的一侧.把细线拉直,给小球以2m/s的垂直细线方向的水平速度,使它做圆周运动.由于钉子b的存在,使细线逐步缠在a、b上.
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若细线能承受的最大张力tm=7n,则从开始运动到细线断裂历时多长?
【分析】小球转动时,由于细线逐步绕在a、b两钉上,小球的转动半径会逐渐变小,但小球转动的线速度大小保持不变.
【解】小球交替地绕a、b作匀速圆周运动,因线速度不变,随着转动半径的减小,线中张力t不断增大,每转半圈的时间t不断减小.
令tn=tm=7n,得n=8,所以经历的时间为
【说明】圆周运动的显著特点是它的周期性.通过对运动规律的研究,用递推法则写出解答结果的通式(一般表达式)有很重要的意义.对本题,还应该熟练掌握数列求和方法.
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如果题中的细线始终不会断裂,有兴趣的同学还可计算一下,从小球开始运动到细线完全绕在a、b两钉子上,共需多少时间?
【例5】如图(a)所示,在光滑的圆锥顶用长为l的细线悬挂一质量为m的小球,圆锥顶角为2θ,当圆锥和球一起以角速度ω匀速转动时,球压紧锥面.此时绳的张力是多少?若要小球离开锥面,则小球的角速度至少为多少?
【分析】小球在水平面内做匀速圆周运动,由绳子的张力和锥面的支持力两者的合力提供向心力,在竖直方向则合外力为零。由此根据牛顿第二定律列方程,即可求得解答。
【解】对小球进行受力分析如图(b)所示,根据牛顿第二定律,向心方向上有
t·sinθ-n·cosθ=mω2r ①
y方向上应有
n·sinθ+t·cosθ-g=0 ②
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∵r = l·sinθ ③
由①、②、③式可得
t = mgcosθ+mω2lsinθ
当小球刚好离开锥面时n=0(临界条件)
则有tsinθ=mω2r ④
t·cosθ-g=0 ⑤
【说明】本题是属于二维的牛顿第二定律问题,解题时,一般可以物体为坐标原点,建立xoy直角坐标,然后沿x轴和y轴两个方向,列出牛顿第二定律的方程,其中一个方程是向心力和向心加速度的关系,最后解联立方程即可。
【例6】杂技节目中的“水流星”表演,用一根绳子两端各拴一个盛水的杯子,演员抡起杯子在竖直面上做圆周运动,在最高点杯口朝下,但水不会流下,如下图所示,这是为什么?
【分析】水和杯子一起在竖直面内做圆周运动,需要提供一个向心力。当水杯在最低点时,水做圆周运动的向心力由杯底的支持力提供,当水杯在最高点时,水做圆周运动的向心力由
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