Question

（10分）如图所示，质量为m的小球，由长为的细线系住，线能承受的最大拉力是9mg，细线的另一端固定在A点，AB是过A的竖直线，E为AB上的一点，且AE=0.5，过E作水平线EF，在EF上钉铁钉D，现将小球拉直水平，然后由静止释放，小球在运动过程中，不计细线与钉子碰撞时的能量损失，不考虑小球与细线间的碰撞．

（1）若钉铁钉位置在E点，求细线与钉子碰撞前后瞬间，细线的拉力分别是多少？

（2）若小球能绕钉子在竖直面内做完整的圆周运动，求钉子位置在水平线EF上距E点距离的取值。

Answer

（1），（2） ≤x≤

【解析】

试题分析：（1）小球释放后沿圆周运动，运动过程中机械能守恒，设运动到最低点速度为v，由机械能守恒定律得，碰钉子瞬间前后小球运动的速率不变，碰钉子前瞬间圆周运动半径为l，碰钉子前瞬间线的拉力为F1，碰钉子后瞬间圆周运动半径为l/2，碰钉子后瞬间线的拉力为F2，由圆周运动、牛顿第二定律得：，

得，

（2）设在D点绳刚好承受最大拉力，记DE=x1，则：AD=

悬线碰到钉子后，绕钉做圆周运动的半径为：r1=l－AD= l－

当小球落到D点正下方时，绳受到的最大拉力为F，此时小球的速度v1，由牛顿第二定律有：F－mg=结合F≤9mg

由机械能守恒定律得：mg (+r1)= mv12

由上式联立解得：x1≤

随着x的减小，即钉子左移，绕钉子做圆周运动的半径越来越大．转至最高点的临界速度也越来越大，但根据机械能守恒定律，半径r越大，转至最高点的瞬时速度越小，当这个瞬时速度小于临界速度时，小球就不能到达圆的最高点了．

设钉子在G点小球刚能绕钉做圆周运动到达圆的最高点，设EG=x2，

则：AG= r2=l－AG= l－在最高点：mg≤

由机械能守恒定律得：mg (—r2)= mv22联立得：x2≥

钉子位置在水平线EF上距E点距离的取值范围是： ≤x≤

考点：机械能守恒定律；牛顿第二定律.

【名师点睛】本题考查的知识点比较多，涉及到圆周运动、机械能守恒定律和动能定理；首先要弄懂题意，对物体运动的物理过程分段研究，并能选取合适的物理规律解答；要求同学们解题时能熟练运用动能定理并结合几何知识解题，难度较大。