- 半径为r的光滑圆环竖直放置
半径为r的光滑圆环竖直放置时,环上各点处的圆环的切线方向都指向圆心,即都垂直于环所在平面。在环上各点的切线速度方向与圆周运动的线速度方向相同,因此环上各点的线速度大小均为v=rω,其中ω为圆周运动的角速度。
如果圆环在竖直平面内做圆周运动,那么在最高点,由于受到重力的作用,圆环的速度最小为零。而在最低点,由于受到向心力的作用,圆环的速度最大,此时的速度方向沿着圆环切线方向。
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相关例题:
题目:一个半径为r的光滑圆环竖直放置在桌面上,现将一个小球从环的上方某一高度处由静止释放,小球将沿环的下方落下。求小球从释放到落回环上所需的时间。
解法:
1. 建立坐标系:以圆环的圆心为原点,竖直向上为y轴正方向,建立直角坐标系。
2. 确定小球的初始位置:小球从环上方某高度处由静止释放,其初始位置在x轴上,坐标为x=0。
3. 确定小球的运动轨迹:小球沿圆环下方下落,其运动轨迹为抛物线。
4. 运用运动学公式求解时间:根据小球的初速度、加速度和位移,运用运动学公式可求得小球从释放到落回环上所需的时间。
具体来说,设小球从环上方的高度为h处释放,根据机械能守恒定律可得:
mg(h-r) = 0.5mv²
其中v为小球落地时的速度。由于小球沿圆环下方下落,其运动轨迹为抛物线,因此可得到小球的加速度为:
a = g·sinθ
其中θ为小球与竖直方向的夹角,由于小球从环上方下落,θ=45°。因此a=g。
根据位移公式可得:
x = 0.5·g·t²
其中x为小球下落的高度,t为小球下落的时间。将上述公式代入机械能守恒定律中可得:
mg(x-r) = 0.5·mv²
将v=gt代入上式可得:
mg(x-r) = mg²·t²
化简可得:t = (x-r)·√(g/2)
其中√表示开平方。因此,小球从释放到落回环上所需的时间为t=(h-r)·√(g/2)。
总结:通过建立直角坐标系、确定小球的初始位置、分析小球的受力情况和运动轨迹,运用运动学公式求解时间,即可得到小球从释放到落回环上的时间。
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