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)如图所示,质量为m的小球置于正方体的光滑盒子中,盒子的边长略大于球的直径.某同学拿着该盒子在竖直平面内做半径为R的匀速圆周运动,已知重力加速度为g,空气阻力不计,问:

(1)要使盒子在最高点时盒子与小球之间恰好无作用力,则该盒子做匀速圆周运动的周期为多少?

(2)若盒子以第(1)问中周期的做匀速圆周运动,则当盒子运动到图示球心与O点位于同一水平面位置时,小球对盒子的哪些面有作用力,作用力为多大?

答案

(1)  (2) 小球对盒子的右侧面和下侧面有作用力 4 mgmg


解析:

设此时盒子的运动周期为T0,因为在最高点时盒子与小球之间刚好无作用力,因此小球仅受重力作用.根据牛顿运动定律得:

                           (1分)

                             (1分)

解之得:                                  (2分)

(2)设此时盒子的运动周期为T,则此时小球的向心加速度为: (1分)

由第一问知:       且                     (1分)

由上述三式知:                               (1分)

设小球受盒子右侧面的作用力为F,受上侧面的作用力为N,根据牛顿运动定律知:

在水平方向上:                                   (2分)

即:                                               (1分)

在竖直方向上:                                 (2分)

即:                                        (1分)

因为F为正值、N为负值,所以小球对盒子的右侧面和下侧面有作用力,分别为:

4 mgmg           (1分)

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