例、半径为R的光滑半圆球固定在水平面上,如图所示.顶部有一小物体甲,今给它一个水平初速度,物体甲将( )
A.沿球面下滑至M点
B.先沿球面下滑至某点N,然后便离开球面做斜下抛运动
C.按半径大于R的新的圆弧轨道做圆周运动
D.立即离开半圆球做平抛运动
解法一:
定性分析,物体在初始位置受竖直向下的重力,因为,所以,球面支持力为零,又因为物体在竖直方向向下运动,所以运动速率将逐渐增大,若假设物体能够沿球面或某一大于R的耘的圆弧做圆运动,则所需的向心力应不断增大.而重力沿半径方向的分力逐渐减少,以上两种情况又不能提供其他相应的指向圆心的力的作用,故不能提供不断增大的向心力,所以,不能维持圆运动,而立即离开半圆球做平抛运动.
解法二:
定量分析,设水平初速度,则在最高点受重力、球面支持力,沿球面运动,设到达某点脱离球面,球面支持力减为零,如图所示,则有
①
②
由②得,代人①中得
gRcosα=v2+2gR(1-cosα).
整理得
即半径R转过α角度后物体开始脱离球面.
由此可以看出α的大小取决于初速度v.
若,则,
即α=0.立即离开半圆球做平抛运动.
答案:D