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重力和杯底的压力共同提供。只要做圆周运动的速度足够快,所需向心力足够大,水杯在最高点时,水就不会流下来。
【解】以杯中之水为研究对象,进行受力分析,根据牛顿第二定律
【例7】如下图所示,自行车和人的总质量为m,在一水平地面运动.若自行车以速度v转过半径为r的弯道.(1)求自行车的倾角应多大?(2)自行车所受的地面的摩擦力多大?
【分析】骑车拐弯时不摔倒必须将身体向内侧倾斜.从图中可知,当骑车人拐弯而使身体偏离竖直方向α角时,从而使静摩擦力f与地面支持力n的合力q通过共同的质心o,合力q与重力的合力f是维持自行车作匀速圆周运动所需要的向心力.
【解】(1)由图可知,向心力f=mgtgα,由牛顿第二定律有:
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(2)由图可知,向心力f可看做合力q在水平方向的分力,而q又是水平方向的静摩擦力f和支持力n的合力,所以静摩擦力f在数值上就等于向心力f,即
f = mgtgα
【例8】用长l1=4m和长为l2=3m的两根细线,拴一质量m=2kg的小球a,l1和l2的另两端点分别系在一竖直杆的o1,o2处,已知o1o2=5m如下图(g=10m·s-2)
(1)当竖直杆以的角速度ω匀速转动时,o2a线刚好伸直且不受拉力.求此时角速度ω1.
(2)当o1a线所受力为100n时,求此时的角速度ω2.
【分析】小球做圆周运动所需的向心力由两条细线的拉力提供,当小球的运动速度不同时,所受拉力就不同。
【解】(1)当o2a线刚伸直而不受力时,受力如图所示。
则f1cosθ=mg ①
f1sinθ=mrω12 ②
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由几何知识知
∴r=2.4m θ=37°
代入式③ω1=1.77(rad/s)
(2)当o1a受力为100n时,由(1)式
f1cosθ=100×0.8=80(n)>mg
由此知o2a受拉力f2。则对a受力分析得
f1cosθ-f2sinθ-mg=0 ④
f1sinθ+f2cosθ= mrω22 ⑤
由式(4)(5)得
【说明】向心力是一种效果力,在本题中o2a受力与否决定于物体a做圆周运动时角速度的临界值.在这种题目中找好临界值是关键.
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[例9]一辆实验小车可沿水平地面(图中纸面)上的长直轨道匀速向右运动,有一台发出细光束的激光器装在小转台m上,到轨道的距离mn为d=10m,如图所示。转台匀速转动,使激光束在水平面内扫描,扫描一周的时间为t=60s,光束转动方向如图箭头所示。当光束与mn的夹角为45°时,光束正好射到小车上,如果再经过△t=2.5s光束又射到小车上,则小车的速度为多少?(结果保留二位数字)
[分析]激光器扫描一周的时间t=60s,那么光束在△t=2.5s时间内转过的角度
激光束在竖直平面内的匀速转动,但在水平方向上光点的扫描速度是变化的,这个速度是沿经向方向速度与沿切向方向速度的合速度。
当小车正向n点接近时,在△t内光束与mn的夹角由45°变为30°
随着θ减小,v扫在减小若45°时,光照在小车上,此时v扫>v车时,此后光点将照到车前但v扫↓v车不变,当v车>v扫时,它们的距离在缩小。
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