在圆周运动中,杆绳模型是指由一端固定并系有绳或杆的圆周运动物体。其中绳子的特点是从一端到另一端的长度始终保持不变,而杆模型的特点则是从一端到另一端可能存在相对运动。这两种模型都是高中物理中常见的圆周运动模型,可以帮助我们理解物体在圆周运动中的受力情况、速度变化等。
题目:小车静止在光滑的水平面上,一轻质杆的一端固定一个小球,另一端通过一细绳与小车上的定滑轮相连。已知小球在光滑的水平面上做匀速圆周运动,求小球的角速度和杆对小球的拉力。
分析:
1. 小球做圆周运动时,受到重力、杆的支持力和绳的拉力。
2. 小球做匀速圆周运动时,绳的拉力提供向心力,即绳的拉力大小等于小球所需的向心力。
3. 杆对小球的拉力与小球的重力平衡,即杆对小球的拉力大小等于小球的重力。
解:
1. 根据题意,小球做匀速圆周运动,因此小球所需的向心力大小为恒量,即绳的拉力大小不变。根据向心力公式 F = mω²r,可得到小球的角速度:
ω = sqrt(F/m)
2. 由于小车是静止在光滑的水平面上的,因此小车的摩擦力为零。根据牛顿第三定律,小球对杆的拉力大小等于杆对小球的拉力大小。因此,杆对小球的拉力大小为:
F = mg
3. 将上述两个式子联立,可得到小球的角速度:
ω = sqrt(g/r)
其中 r 为小球到定滑轮的距离。
答案:小球的角速度为 sqrt(g/r),杆对小球的拉力大小为 mg。