秋千、钟摆等运动都是我们熟悉的摆动现象。它们形状各异,却遵循着相似的规律。如图1所示,一个摆的摆长为L,小球质量为m,拉起小球使摆线与竖直方向夹角为θ时将小球由静止释放,忽略空气阻力。
(1)求小球运动到最低点时的角速度大小。
(2)如果只把小球的质量改为2m,还是从相同的位置由静止释放,则小球从静止到最低点的时间与原来相比是否会发生变化?简要说明理由。
(3)如果把摆线换成长仍为L的轻杆,如图2所示,一端可绕固定在O点的光滑轴承在竖直平面内转动,在距O点为L2和L处分别固定一个质量均为m、可看作质点的小球,忽略轻杆的质量和空气阻力。
a.将杆与小球组成的系统仍拉到与竖直方向成θ角的位置由静止释放,当系统向下运动到最低点时,求此时系统的角速度大小。
b.当θ角较大时,单摆的运动将不能看作简谐运动,周期公式也不能使用。如果通过实验测得上面(2)中的运动周期为T,能否推算出此时轻杆系统的运动周期?如果不能,请说明理由;如果能,请写出推导过程并算出结果。
L
2
【答案】(1)小球运动到最低点时的角速度大小为。
(2)小球做简谐运动的周期不变;
(3)此时系统的角速度大小为;不能倠测出系统的周期。
2
g
(
1
-
cosθ
)
L
(2)小球做简谐运动的周期不变;
(3)此时系统的角速度大小为
12
g
(
1
-
cosθ
)
5
L
【解答】
【点评】
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