Question

【題目】如圖所示，一個質量為M，半徑為R的光滑均質半球，靜置于光滑水平桌面上，在球頂有一個質量為m的質點，由靜止開始沿球面下滑。試求：

（1）質點離開球面以前的軌跡；

（2）當質點m滑到方位角時（未脫離半球），質點的速度v的大小、方向怎樣？質點相對半球的瞬時角速度為多少？

Answer 1

【答案】（1）質點的軌跡是一個長、短半軸分別為R和的橢圓。（2），，，。

【解析】

（1）為尋求軌跡方程，我們需要建立一個坐標：以半球球心O為原點，沿質點滑下一側的水平軸為x坐標、豎直軸為y坐標。

由于質點相對半球總是做圓周運動（離開球面前），有必要引入相對運動中半球球心的方位角來表達質點的瞬時位置，如圖乙所示。

由水平方向的動量守恒，易得

,

即。 ①

而由圖知：。 ②

不難看出，①、②兩式實際上已經是一個軌跡的參數方程。為了明確軌跡的性質，我們可以將參數消掉，使它們成為

。

這樣，特征就明顯了：質點的軌跡是一個長、短半軸分別為R和的橢圓。

（2）當質點滑至角位置時，設M的速度大小為v，質點m的水平速度與豎直速度分別為、，則，

。

又，角速度，

設，有，。

由上述各式可得

，式中。