高三物理圓錐擺臨界問題主要有以下幾種:
1. 細線恰好斷裂,錐擺的線速度不變,重力沿半徑方向的加速度提供向心力,即 mg=mV^2/r,得 r=gV^2/w^2。
2. 圓錐擺的角速度大于重力向心加速度對應(yīng)的夾角時,物體做加速運動。
3. 圓錐擺的周期與繩長有關(guān),與角速度無關(guān)。
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例題:
問題:在豎直平面內(nèi)有一個固定的桿,桿的頂端有一個小球,桿的底端有一個固定的釘子。小球在桿上做圓錐擺運動,求小球做圓錐擺運動的臨界速度。
分析:小球在桿上做圓錐擺運動時,受到重力、桿的支持力和向心力三個力的作用。當(dāng)向心力等于重力與支持力的合力時,小球做圓錐擺運動;當(dāng)向心力大于重力與支持力的合力時,小球?qū)⒆鲭x心運動;當(dāng)向心力小于重力與支持力的合力時,小球?qū)⒆鼋倪\動。
模型建立:小球在桿上做圓錐擺運動時,桿對小球的支持力始終與速度方向垂直,因此可以認為桿對小球的力不做功。根據(jù)動能定理,當(dāng)速度達到一定值時,重力與支持力的合力提供向心力,小球的動能恰好為零。此時的速度即為臨界速度。
$mgL(1 - \frac{v^{2}}{gL}) = 0$
$mgL\sin\theta = m\frac{v^{2}}{L}$
其中,$v$為小球的速度,$\theta$為桿與豎直方向的夾角。聯(lián)立以上兩個方程即可求得臨界速度$v_{0}$。
例題答案:當(dāng)小球的速度達到$v_{0} = \sqrt{gL}$時,重力與支持力的合力恰好提供向心力,此時小球做圓錐擺運動。
應(yīng)用:根據(jù)以上模型可以解決類似的問題,如已知桿長、角度和重力,求小球的臨界速度;已知小球的初速度和角度,求小球的運動軌跡等。
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