(2007?江蘇)如圖所示,一輕繩吊著粗細(xì)均勻的棒,棒下端離地面高H,上端套著一個(gè)細(xì)環(huán).棒和環(huán)的質(zhì)量均為m,相互間最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力kmg(k>1).?dāng)嚅_輕繩,棒和環(huán)自由下落.假設(shè)棒足夠長(zhǎng),與地面發(fā)生碰撞時(shí),觸地時(shí)間極短,無(wú)動(dòng)能損失.棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持豎直,空氣阻力不計(jì).求:
(1)棒第一次與地面碰撞彈起上升過(guò)程中,環(huán)的加速度;
(2)從斷開輕繩到棒與地面第二次碰撞的瞬間,棒運(yùn)動(dòng)的路程S;
(3)從斷開輕繩到棒和環(huán)都靜止,摩擦力對(duì)環(huán)及棒做的總功W.
分析:(1)在棒上升的過(guò)程中,環(huán)要受到重力的作用,同時(shí)由于環(huán)向下運(yùn)動(dòng)而棒向上運(yùn)動(dòng),環(huán)還要受到棒的向上的摩擦力的作用,根據(jù)牛頓第二定律列式可以求得加速度的大小.
(2)棒運(yùn)動(dòng)的總路程為原來(lái)下降的高度H,加上第一次上升高度的兩倍,對(duì)棒受力分析可以求得棒的加速度的大小,在由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可以求得上升的高度.
(3)整個(gè)過(guò)程中能量的損失都是由于摩擦力對(duì)物體做的功,所以根據(jù)能量的守恒可以較簡(jiǎn)單的求得摩擦力對(duì)環(huán)及棒做的總功.
解答:解:(1)設(shè)棒第一次上升過(guò)程中,環(huán)的加速度為a環(huán),
由牛頓第二定律得:kmg-mg=ma環(huán)
解得:a環(huán)=(k-1)g,方向豎直向上
(2)設(shè)棒第一次落地的速度大小為v1
由機(jī)械能守恒得:
1
2
2m
v
2
1
=2mgH

解得:v1=
2gH

設(shè)棒彈起后的加速度為a,由牛頓第二定律得:
a=-(k+1)g
棒第一次彈起的最大高度為:H1=
v
2
1
2a

解得:H1=
H
k+1

棒運(yùn)動(dòng)的路程為:S=H+2H1=
k+3
k+1
H

(3)解法一:
棒第一次彈起經(jīng)過(guò)t1時(shí)間,與環(huán)達(dá)到相同速度v′1
環(huán)的速度:v′1=-v1+a環(huán)t1
棒的速度:v′1=v1+at1
環(huán)的位移:h環(huán)1=-v1t1+
1
2
a環(huán)
t
2
1

棒的位移:h棒1=v1t1+
1
2
a
t
2
1

環(huán)第一次相對(duì)棒的位移為:x1=h環(huán)1-h棒1=-
2H
k

棒環(huán)一起下落至地:
v
2
2
-
v
/2
1
=2gh棒1

解得:v2=
2gH
k

同理,環(huán)第二次相對(duì)棒的位移為x2=h環(huán)2-h棒2=-
2H
k2

xn=-
2H
kn

環(huán)相對(duì)棒的總位移為:x=x1+x2+…+xn
摩擦力對(duì)棒及環(huán)做的總功為:W=kmgx=-
2kmgH
k-1

解法二:
設(shè)環(huán)相對(duì)棒滑動(dòng)距離為l
根據(jù)能量守恒  mgH+mg(H+l)=kmgl
摩擦力對(duì)棒及環(huán)做的總功為:W=-kmgl
解得:W=-
2kmgH
k-1

答:(1)環(huán)的加速度為(k-1)g,方向豎直向上.
(2)從斷開輕繩到棒與地面第二次碰撞的瞬間,棒運(yùn)動(dòng)的路程:S=H+2H1=
k+3
k+1
H

(3)從斷開輕繩到棒和環(huán)都靜止,摩擦力對(duì)環(huán)及棒做的總功W=-
2kmgH
k-1
點(diǎn)評(píng):對(duì)比求摩擦力總功的兩種方法可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)用能量的守恒來(lái)解決本題可以很簡(jiǎn)單的球的結(jié)果,這樣既能夠簡(jiǎn)化解題的過(guò)程還可以節(jié)約寶貴的時(shí)間,所以在平時(shí)一定要考慮如何解題能夠簡(jiǎn)單快捷.
練習(xí)冊(cè)系列答案
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(2007?江蘇)如圖所示,光滑水平面上放置質(zhì)量分別為m和2m的四個(gè)木塊,其中兩個(gè)質(zhì)量為m的木塊間用一不可伸長(zhǎng)的輕繩相連,木塊間的最大靜摩擦力是μmg.現(xiàn)用水平拉力F拉其中一個(gè)質(zhì)量為2m的木塊,使四個(gè)木塊以同一加速度運(yùn)動(dòng),則輕繩對(duì)m的最大拉力為( 。

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(1)現(xiàn)給滑塊A一沿氣墊導(dǎo)軌向上的初速度,A的v-t圖線如(b)圖所示.從圖線可得滑塊A下滑時(shí)的加速度a=
6
6
m/s2,摩擦力對(duì)滑塊A運(yùn)動(dòng)的影響
不明顯,可忽略
不明顯,可忽略
.(填“明顯,不可忽略”或“不明顯,可忽略”)
(2)此裝置還可用來(lái)驗(yàn)證牛頓第二定律.實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)改變
斜面高度h
斜面高度h
,可驗(yàn)證質(zhì)量一定時(shí),加速度與力成正比的關(guān)系;實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)改變
滑塊A的質(zhì)量M及斜面的高度h,且使Mh不變
滑塊A的質(zhì)量M及斜面的高度h,且使Mh不變
,可驗(yàn)證力一定時(shí),加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系.
(3)將氣墊導(dǎo)軌換成滑板,滑塊A換成滑塊A′,給滑塊A′一沿滑板向上的初速度,A′的
s-t圖線如(c)圖.圖線不對(duì)稱是由于
滑動(dòng)摩擦力
滑動(dòng)摩擦力
造成的,通過(guò)圖線可求得滑板的傾角θ=
arcsin0.58
arcsin0.58
(用反三角函數(shù)表示),滑塊與滑板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=
0.27
0.27

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(1)求小環(huán)C的平衡位置.
(2)若小環(huán)C帶電量為q,將小環(huán)拉離平衡位置一小位移x(|x|?d)后靜止釋放,試判斷小環(huán)C能否回到平衡位置.(回答“能”或“不能”即可)
(3)若小環(huán)C帶電量為-q,將小環(huán)拉離平衡位置一小位移x(|x|?d)后靜止釋放,試證明小環(huán)C將作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).
(提示:當(dāng)α?1時(shí),則 
1(1+α)n
≈1-nα

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