Question

【題目】靜止在水平面上的小車固定在剛性水平輕桿的一端，桿的另一端通過小圓環(huán)套在豎直光滑的立柱上。每當小車停止運動時，車上的彈簧槍就會沿垂直于輕桿的水平方向自動發(fā)射一粒彈丸，然后自動壓縮彈簧并裝好一粒彈丸等待下次發(fā)射，直至射出所有彈丸。下圖為該裝置的俯視圖。已知未裝彈丸的小車質量為M，每粒彈丸的質量為m，每次發(fā)射彈丸釋放的彈性勢能為E，發(fā)射過程時間極短：小車運動時受到一個與運動方向相反、大小為小車對地面壓力λ倍的作用力；忽略所有摩擦阻力，重力加速度為g。

(1)若小車上只裝一粒彈丸，求彈丸被射出時小車的速度大小；

(2)若(l)問中發(fā)射彈丸后小車恰能運動一周，求射出彈丸時，桿對小車的拉力大�。�

(3)若小車上共裝25粒彈丸，輕桿能承受的最大拉力 (L為小車做圓周運動的半徑），則須滿足什么條件輕桿才不會被拉斷？小車做圓周運動的總路程的最大值是多少？

Answer 1

【答案】(1) (2) (3) ，

【解析】

（1）對彈丸和小車的系統(tǒng)，發(fā)射彈丸的瞬時滿足動量守恒和能量守恒，列式求解彈丸被射出時小車的速度大��；（2）根據(jù)動能定理求解剛發(fā)射完彈丸時小車的速度，根據(jù)拉力等于向心力求解桿的拉力；（3）分析發(fā)射彈丸的整個過程，可知當彈丸完全發(fā)射完時桿的拉力最大，結合數(shù)學知識求解小車做圓周運動的總路程的最大值.

（1）發(fā)射彈丸的過程，遵守動量守恒定律和機械能守恒；mu=Mv

E=mu2+Mv2

解得

（2）發(fā)射彈丸后，小車做圓周運動，圓周半徑為L，由動能定理可得：

x=2πL

彈丸剛被射出時桿受到的拉力：

聯(lián)立解得F=4πλMg

（3）某次發(fā)射后，小車（連同彈簧槍）和車載彈丸的總質量為Mk=km(k從某一較大值開始減小，可取25個值，且k>25)

與上述同理可知：

由此可知，彈丸全部射完，k取最小值M/m時，桿的拉力最大，若此時還能滿足，則桿不會被拉斷，解得

與上述同理可知，某次發(fā)射后到下一次發(fā)射前小車做圓周運動的路程：

由此式可知，每發(fā)射一粒彈丸后，小車做圓周運動的路程增大一些，因此要小車做圓周運動的總路程最大，k應該取最小的25個值（對應將25粒彈丸全部射出），即應取取k=59、58、……、35，

最大總路程為

解得