Question

將一測力傳感器連接到計算機(jī)上就可以測量快速變化的力，如圖所示，（甲）圖中O點(diǎn)為單擺的懸點(diǎn)，現(xiàn)將小球（可視為質(zhì)點(diǎn)）拉到A點(diǎn)，此時細(xì)線處于張緊狀態(tài)，釋放擺球，則擺球在豎直平面內(nèi)的ABC之間來回擺動，其中B點(diǎn)為運(yùn)動中最低位置，∠AOB=∠COB=α，α小于10°且是未知量．圖（乙）表示由計算機(jī)得到細(xì)線對擺球的拉力大小F隨時間變化的曲線且圖中t=0時刻為擺球從A點(diǎn)開始運(yùn)動的時刻，根據(jù)力學(xué)規(guī)律和題中信息（g取10m/s²）求：
（1）單擺的周期和擺長；
（2）擺球的質(zhì)量；
（3）擺動過程中的最大速度．

Answer 1

分析：（1）小球運(yùn)動到最低點(diǎn)時，繩子的拉力最大，在一個周期內(nèi)兩次經(jīng)過最低點(diǎn)，根據(jù)該規(guī)律，求出單擺的周期．再根據(jù)單擺的周期公式T=2π

L g

求出擺長．
（2）小球在最高點(diǎn)時繩子的拉力最小，在最低點(diǎn)時繩子拉力最大，求出最高點(diǎn)和最低點(diǎn)繩子拉力的表達(dá)式，再結(jié)合動能定理或機(jī)械能守恒定律求出擺球的質(zhì)量．
（3）根據(jù)最低點(diǎn)時繩子的拉力最大，結(jié)合牛頓第二定律求出擺球的最大速度．

解答：解：（1）小球在一個周期內(nèi)兩次經(jīng)過最低點(diǎn)，根據(jù)該規(guī)律，知T=0.4πs．
根據(jù)T=2π

L g

，則L=

gT2

4π2

=0.4m．
答：單擺的周期為0.4πs，擺長為0.4m．
（2）在最高點(diǎn)A，有F_min=mgcosθ=0.495N
在最低點(diǎn)B，有F_max=mg+m

v2

L

從A到B，滑塊機(jī)械能守恒，有mgR（1-cosθ）=

1

2

mv2
聯(lián)立三式解得：m=0.05kg．
答：擺球的質(zhì)量為0.05kg．
（3）小球在最低點(diǎn)時速度最大，在最低點(diǎn)有：F_max=mg+m

v2

L

代入數(shù)據(jù)解得：v=0.283m/s．
答：擺動過程中的最大速度為0.283m/s．

點(diǎn)評：解決本題的關(guān)鍵掌握單擺的運(yùn)動規(guī)律，知道單擺的周期公式，以及會靈活運(yùn)用動能定理、牛頓定律解題．