如图所示,ACB为光滑弧形槽,弧形槽半径为R,R≫
.甲球从弧形槽的球心处自由落下,乙球从A点由静止释放(不计空气阻力).问:. AB
(1)两球第1次到达C点的时间之比;
(2)若在圆弧的最低点C的正上方h处由静止释放小球甲,让其自由下落,同时乙球从圆弧左侧由静止释放,欲使甲、乙两球在圆弧最低点C处相遇,则甲球下落的高度h是多少?
(1)甲球做自由落体运动R=
g1 2 t 21
所以:t1=2R g
乙球沿圆弧做简谐运动(由于B→C≪R,可认为摆角θ<5°).此振动与一个摆长为R的单摆振动模型相同,故此等效摆长为R,因此乙球第1次到达C处的时间为:
t2=
T=1 4
×2π1 4
,所以t1:t2=R g 2 2 π
(2)甲球从离弧形槽最低点h高处开始自由下落,到达C点的时间为t甲=2h g
由于乙球运动的周期性,所以乙球到达C点的时间为
t乙=
+nT 4
=T 2
•π2n+1 2
,n=0,1,2,…R g
由于甲、乙在C点相遇,故t甲=t乙
解得h=
π2R(n=0,1,2,…)(2n+1)2 8
答:(1)两球第1次到达C点的时间之比是
;2 2 π
(2)若在圆弧的最低点C的正上方h处由静止释放小球甲,让其自由下落,同时乙球从圆弧左侧由静止释放,欲使甲、乙两球在圆弧最低点C处相遇,则甲球下落的高度h是
π2R(n=0,1,2,…).(2n+1)2 8