Question

如圖10所示，質量為m的小球，由長為l的細線系住，線能承受的最大拉力是9mg，細線的另一端固定在A點，AB是過A的豎直線，E為AB上的一點，且AE=0.5l，過E作水平線EF，在EF上釘鐵釘D，現將小球拉直水平，然后由靜止釋放，小球在運動過程中，不計細線與釘子碰撞時的能量損失，不考慮小球與細線間的碰撞．

（1）若釘鐵釘位置在E點，求細線與釘子碰撞前后瞬間，細線的拉力分別是多少？
（2）若小球能繞釘子在豎直面內做完整的圓周運動，求釘子位置在水平線EF上距E點距離的取值。

Answer 1

（1），（2） ≤x≤

試題分析：（1）小球釋放后沿圓周運動，運動過程中機械能守恒，設運動到最低點速度為v，由機械能守恒定律得，碰釘子瞬間前后小球運動的速率不變，碰釘子前瞬間圓周運動半徑為l，碰釘子前瞬間線的拉力為F₁，碰釘子后瞬間圓周運動半徑為l/2，碰釘子后瞬間線的拉力為F₂，由圓周運動、牛頓第二定律得：，
得，
（2）設在D點繩剛好承受最大拉力，記DE=x₁，則：AD=
懸線碰到釘子后，繞釘做圓周運動的半徑為：r₁=l－AD= l－
當小球落到D點正下方時，繩受到的最大拉力為F，此時小球的速度v₁，由牛頓第二定律有：F－mg=結合F≤9mg 
由機械能守恒定律得：mg (+r₁)= mv₁²
由上式聯立解得：x₁≤
隨著x的減小，即釘子左移，繞釘子做圓周運動的半徑越來越大．轉至最高點的臨界速度也越來越大，但根據機械能守恒定律，半徑r越大，轉至最高點的瞬時速度越小，當這個瞬時速度小于臨界速度時，小球就不能到達圓的最高點了．
設釘子在G點小球剛能繞釘做圓周運動到達圓的最高點，設EG=x₂，
則：AG=  r₂=l－AG= l－在最高點：mg≤
由機械能守恒定律得：mg (—r₂)= mv₂²聯立得：x₂≥
釘子位置在水平線EF上距E點距離的取值范圍是： ≤x≤