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(2014•江西模拟)如图所示,在竖直平面内有xOy坐标系,长为l的不可伸长细绳,一端固定在A点,A点的坐标为(0、l2),另一端系一质量为m的小球.现在x坐标轴上(x>0)固定一个小钉,

题目详情
(2014•江西模拟)如图所示,在竖直平面内有xOy坐标系,长为l的不可伸长细绳,一端固定在A点,A点的坐标为(0、
l
2
),另一端系一质量为m的小球.现在x坐标轴上(x>0)固定一个小钉,拉小球使细绳绷直并呈水平位置,再让小球从静止释放,当细绳碰到钉子以后,小球可以绕钉子在竖直平面内做圆周运动.
(1)当钉子在x=
5
4
l的P点时,小球经过最低点时细绳恰好不被拉断,求细绳能承受的最大拉力;
(2)为使小球释放后能绕钉子在竖直平面内做圆周运动,而细绳又不被拉断,求钉子所在位置的范围.
▼优质解答
答案和解析
(1)当钉子在x=
5
4
l的P点时,小球绕钉子转动的半径为:R1=l−
(
l
2
)2+x2

小球由静止到最低点的过程中机械能守恒,由机械能守恒定律得:mg(
l
2
+R1)=
1
2
m
v
2
1

在最低点细绳承受的拉力最大,由牛顿第二定律得:F−mg=m
v
2
1
R1

联立解得:F=7mg;
(2)小球绕钉子圆周运动恰好到达最高点时,由牛顿第二定律得:mg=m
v
2
2
R2

运动中机械能守恒,由机械能守恒定律得:
mg(
l
2
−R2)=
1
2
m
v
2
2

钉子所在位置为:x′=
(l−R2)2−(
l
2
)2

解得:x′=
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