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半球型类圆锥摆圆周运动模型

场景:如图所示,一质量为 m 的小球置于半径为 r 半球形容器内,小球对半球面的压力与竖直方向的夹角为θ,小球与半球形容器始终以相同的角速度绕中心线 OO’做水平匀速转动,动摩擦因数为μ。


半球型类圆锥摆圆周运动模型

水平方向: FNsinθ=ma ①
竖直方向:Fcosθ=mg ②

动态分析


半球型类圆锥摆圆周运动模型

结论:
(1)当θ增大时, F向增加、 FN 增加、a 增加、v 增加、ω增加、R 增加、T 减小;
(2)小球的周期和角速度只与 H 和 g 有关,H 和 g 相同的不同半圆球周期和角速度相等;
(3)小球的加速度只与θ和 g 有关,g 相同时,θ越大、a 越大。

2、当μ≠0 时,半圆形球的角速度大小会影响小球的运动

(1)当 ω>ωo时, FNsinθ<mω²rsinθ,故故小球受到一沿切面向下的摩擦力 f

受力特点:(如下图)


半球型类圆锥摆圆周运动模型

(2)当 ω=ωo时, FNsinθ=mω²rsinθ,故不产生任何摩擦力,与μ=0 的情况相同;

(3)当 ω<ωo时, FNsinθ>mω²rsinθ,故小球受到一沿切面向上的摩擦力 f

受力特点:(如图)


半球型类圆锥摆圆周运动模型

故ω不变,θ增大时, f 减小、 FN 先增加后减小、 F向增加、a 增加、v 增加、R 增加、H 减小、T 不变。

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