题目
如图,一不可伸长轻绳两端各连接一质量为m的小球,初始时整个系统静置于光滑水平桌面上,两球间的距离等于绳长L。一大小为F的水平恒力作用在轻绳的中点,方向与两球连线垂直。当两球运动至二者相距(3)/(5)L时,它们加速度的大小均为( )A. ((5F))/((8m))B. ((2F))/((5m))C. ((3F))/((8m))D. ((3F))/((10m))
如图,一不可伸长轻绳两端各连接一质量为m的小球,初始时整个系统静置于光滑水平桌面上,两球间的距离等于绳长L。一大小为F的水平恒力作用在轻绳的中点,方向与两球连线垂直。当两球运动至二者相距$\frac{3}{5}$L时,它们加速度的大小均为( )- A. $\frac{{5F}}{{8m}}$
- B. $\frac{{2F}}{{5m}}$
- C. $\frac{{3F}}{{8m}}$
- D. $\frac{{3F}}{{10m}}$
题目解答
答案
解:当两球运动至二者相距$\frac{3}{5}$L时,对此时进行受力分析,如图所示:
因为两球关于F所在直线对称,sinθ=$\frac{\frac{3}{10}L}{\frac{L}{2}}$=$\frac{3}{5}$,所以cosθ=$\frac{4}{5}$,
已知轻绳中心处受三个力,设绳子拉力为T,水平方向上受力分析,2Tcosθ=F,解得:T=$\frac{5}{8}F$,
对其中一个小球用牛顿第二定律,得;T=ma,解得:a=$\frac{5F}{8m}$。
故A正确,BCD错误。
故选A。

因为两球关于F所在直线对称,sinθ=$\frac{\frac{3}{10}L}{\frac{L}{2}}$=$\frac{3}{5}$,所以cosθ=$\frac{4}{5}$,
已知轻绳中心处受三个力,设绳子拉力为T,水平方向上受力分析,2Tcosθ=F,解得:T=$\frac{5}{8}F$,
对其中一个小球用牛顿第二定律,得;T=ma,解得:a=$\frac{5F}{8m}$。
故A正确,BCD错误。
故选A。
解析
考查要点:本题主要考查牛顿第二定律的应用,涉及受力分析和几何关系的结合。关键在于理解绳子中点受力平衡条件及小球加速度的计算。
解题核心思路:
- 受力分析:恒力$F$作用于绳子中点,两侧拉力$T$的水平分量之和等于$F$,由此求出绳子拉力$T$。
- 几何关系:通过两球间距变化后的几何关系,确定绳子与中线的夹角$\theta$的余弦值$\cos\theta$。
- 牛顿第二定律:对单个小球,拉力$T$提供加速度$a$,直接计算$a = \frac{T}{m}$。
破题关键点:
- 对称性:两球受力对称,拉力水平分量之和平衡恒力$F$。
- 几何关系:利用三角形边角关系求$\cos\theta$,简化计算。
几何关系分析
当两球间距为$\frac{3}{5}L$时,绳子总长仍为$L$,每个半绳长为$\frac{L}{2}$。构造等腰三角形,底边为$\frac{3}{5}L$,两腰为$\frac{L}{2}$,利用余弦定理:
$\cos\theta = \frac{\left(\frac{L}{2}\right)^2 + \left(\frac{L}{2}\right)^2 - \left(\frac{3}{5}L\right)^2}{2 \cdot \frac{L}{2} \cdot \frac{L}{2}} = \frac{4}{5}.$
绳子拉力计算
绳子中点受力平衡,水平方向满足:
$2T\cos\theta = F \implies T = \frac{F}{2\cos\theta} = \frac{5F}{8}.$
小球加速度计算
对单个小球,拉力$T$提供加速度:
$T = ma \implies a = \frac{T}{m} = \frac{5F}{8m}.$