Question

如图所示，能承受最大拉力F_m=10N的细线长L=0.6m，它的一端固定于高H=2.1m的O点，另一端系一质量为m=0.5kg的小球在水平面内做圆周运动，由于转速加快而使细线断裂．求：小球落地点距O点的水平距离是多大？（g取10m/s²）

Answer

对小球受力分析，竖直方向小球受力平衡，小球在水平面内做圆周运动时，由重力G和拉力F的合力提供向心力，分别由平衡条件和牛顿第二定律列方程，可解出当绳子断时小球的线速度．当绳子断后，小球做平抛运动，由平抛运动规律求小球做平抛运动的时间，再求得水平位移，再根据几何关系可求出小球落地点距O点的水平距离．
【解析】
（1）小球在水平面内做圆周运动时，由重力G和拉力F的合力提供向心力，
设绳将要断时，绳与竖直方向的夹角为θ，
由竖直方向小球受力平衡有
cosθ===，
所以，θ=60°
由几何关系得：小球做圆周运动的半径为
R=Lsinθ=0.6×m=m．
当绳断时，沿半径方向，牛顿第二定律得：
mg•tanθ=，
解得：v==m/s=3m/s．
（2）绳断后，小球做平抛运动，这时小球离地面的高度h为
h=H-Lcos60°=m=1.8m．
由平抛规律h=gt2，求得小球做平抛运动的时间
t==s=0.6s．
水平位移 x=vt=3×0.6m=1.8m．
小球落地点距O2的距离为：
==m
=m≈1.87m．
答：小球落地点距O点的水平距离为1.87m．