题目
如图所示,一质点自光滑球面的顶点处静止下滑,设球面半径为R,在垂直方向质点落下-|||-距离h多大时开始脱离球面。-|||-R

题目解答
答案

解析
步骤 1:确定质点脱离球面的条件
质点脱离球面的条件是质点对球面的正压力为零,此时质点只受重力作用。这意味着质点在球面上的运动轨迹将不再受到球面的约束,质点将沿切线方向飞出。
步骤 2:应用机械能守恒定律
质点从顶点处静止下滑,只有重力做功,因此机械能守恒。设质点在球面上某点的线速度为v,该点与球心的连线与竖直方向的夹角为θ,则有:
\[ mgh = \frac{1}{2}mv^2 \]
其中,h为质点下落的垂直距离,R为球面半径,θ为质点与球心连线与竖直方向的夹角。
步骤 3:应用牛顿第二定律
在质点脱离球面的瞬间,质点受到的重力沿球面法线方向的分量提供向心力,即:
\[ mg\cos\theta = \frac{mv^2}{R} \]
将步骤2中的速度表达式代入上式,得到:
\[ mg\cos\theta = \frac{2mgh}{R} \]
化简得到:
\[ \cos\theta = \frac{2h}{R} \]
步骤 4:确定质点脱离球面时的垂直距离
当质点脱离球面时,θ为质点与球心连线与竖直方向的夹角,此时质点下落的垂直距离为h,球面半径为R,因此有:
\[ h = R - R\cos\theta \]
将步骤3中的cosθ表达式代入上式,得到:
\[ h = R - R\left(\frac{2h}{R}\right) \]
化简得到:
\[ h = R - 2h \]
\[ 3h = R \]
\[ h = \frac{R}{3} \]
质点脱离球面的条件是质点对球面的正压力为零,此时质点只受重力作用。这意味着质点在球面上的运动轨迹将不再受到球面的约束,质点将沿切线方向飞出。
步骤 2:应用机械能守恒定律
质点从顶点处静止下滑,只有重力做功,因此机械能守恒。设质点在球面上某点的线速度为v,该点与球心的连线与竖直方向的夹角为θ,则有:
\[ mgh = \frac{1}{2}mv^2 \]
其中,h为质点下落的垂直距离,R为球面半径,θ为质点与球心连线与竖直方向的夹角。
步骤 3:应用牛顿第二定律
在质点脱离球面的瞬间,质点受到的重力沿球面法线方向的分量提供向心力,即:
\[ mg\cos\theta = \frac{mv^2}{R} \]
将步骤2中的速度表达式代入上式,得到:
\[ mg\cos\theta = \frac{2mgh}{R} \]
化简得到:
\[ \cos\theta = \frac{2h}{R} \]
步骤 4:确定质点脱离球面时的垂直距离
当质点脱离球面时,θ为质点与球心连线与竖直方向的夹角,此时质点下落的垂直距离为h,球面半径为R,因此有:
\[ h = R - R\cos\theta \]
将步骤3中的cosθ表达式代入上式,得到:
\[ h = R - R\left(\frac{2h}{R}\right) \]
化简得到:
\[ h = R - 2h \]
\[ 3h = R \]
\[ h = \frac{R}{3} \]