如图所示,用长为L的细绳悬挂一个质量为m的小球,悬点为O点,把小球拉至A点,使悬线与水平方向成30°角,然后松手,问:小球运动到悬点的正下方B点时,悬线中的张力为多大?

问题描述:

如图所示,用长为L的细绳悬挂一个质量为m的小球,悬点为O点,把小球拉至A点,使悬线与水平方向成30°角,然后松手,问:小球运动到悬点的正下方B点时,悬线中的张力为多大?

在A点松手后,绳子为松弛状态,所以小球在重力作用下做*落体运动,当小球落到A点的正下方C点,OC=L时绳又被拉紧,此时由于绳子的冲量作用,使小球沿绳方向的速度分量υ2减小为0,小球将以L为半径、υ1为初速度从C开始做圆周运动,如图.因此,从A点到B点的过程中有机械能损失,机械能不守恒.当小球从C点运动到B点的过程中,机械能守恒.本题应先求出小球在C点时的切向速度υ1,再对CB段运用机械能守恒定律求出υ,最后求绳中张力T.
小球从A点到C点做*落体运动,下落高度为L,则:υC=

2gL

其切向分量为:υ1Ccos30°=
6gL
2

小球从C点到B点过程中,由机械能守恒定律有:
mgL(1-sin30°)=
1
2
m
υ
2
B
1
2
m
υ
2
1

将υ1代入解得:υB2=
5
2
gL

对B点由向心力公式得:T-mg=m
υ
2
B
L

解得:T=mg+m
υ
2
B
L
7
2
mg

答:悬线中的张力为
7mg
2

答案解析:小球先做*落体运动,由机械能守恒可求得绳子绷紧时的速度,但要注意绳子绷紧的瞬间小球的径向分速度消失,由速度的合成与分解求出切向分量;此后的过程中机械能守恒,可求得小球到达B点的速度,由向心力公式可求得悬线中的张力.
考试点:机械能守恒定律;牛顿第二定律;向心力.
知识点:本题考查机械能的守恒定律应用与向心力公式的结合,难点在于绳子绷紧时的分析,要知道绳子不能形变,导致瞬间速度发生了变化,只保留了切向分速度.